1 CIŚNIENIA; ATMOSFERYCZNE, HYDROSTATYCZNE, ABSOLUTNE. Ciśnienie w nurkowaniu - zależność między ciśnieniem a objętością

Transkrypt

1 3 FIZYKA NURKOWANIA

2 Fizyka przyda się każdemu nurkowi a fizyka nurkowania w szczególności. Takie pojęcia jak: ciśnienie, atmosfera, bar, ciśnienie parcjalne, przemiana gazowa to tylko niektóre pojęcia, które należy poznać. Zakładam że osobą korzystającym z niniejszego skryptu są znane podstawy dotyczące jednostek, tych z układu SI jak i starego CGS. Przypomnę tylko że, jednostkami: długości w układzie SI metr [m] a w układzie CGI centymetr [cm] i odpowiednio pola powierzchni jest [m2] lub [cm2] a objętości jest [m3] lub [cm3] czy litr [l] jednostką siły [N] i odpowiednio [KG] (kilogram siły) 1 CIŚNIENIA; ATMOSFERYCZNE, HYDROSTATYCZNE, ABSOLUTNE Ciśnienie w nurkowaniu - zależność między ciśnieniem a objętością Ciśnienie w nurkowaniu Ciśnienie oddziałuje na człowieka cały czas, niezależnie od tego czy jesteśmy nad czy pod wodą. Każda prognoza pogody zawiera informacje o ciśnieniu. Wartość ciśnienia zmienia się w ciągu doby, raz ciśnienie rośnie, a innym razem maleje. W górach panuje mniejsze ciśnienie niż na poziomie morza. Jednak wszystkie te zmiany są małe w stosunku do zmian ciśnienia w czasie nurkowania. W prognozie pogody ciśnienie podawane jest w hpa (hekto Paskalach), w nurkowaniu posługujemy się at (atmosferami technicznymi) i bar (barami). To właśnie zmiany ciśnienia są przyczyną wielu chorób związanych z nurkowaniem, chodzi tu głównie o wszelkiego rodzaju urazy ciśnieniowe, mniej lub bardzie niebezpieczne dla naszego zdrowia. Temat ciśnienia i jego zmian w trakcie nurkowania, niewątpliwie jest ważny, wymaga dokładnego zrozumienia. Co to jest ciśnienie? Ciśnienie P wywołuje siła F działająca na daną powierzchnię S. To prosta regułka pozwoli nam napisać jednostkę ciśnienia (a nawet powiem więcej, kilka jednostek, bo pomiar ciśnienia może być podawany w wieloraki sposób) Ciśnienie P wywołuje siła F działająca na daną powierzchnię S z wzoru powyższego można wyprowadzić więc jednostki ciśnienia: atmosferę techniczną [at]- jeżeli powierzchnię wstawimy w [cm 2 ], a siłę w [KG] to otrzymamy ciśnienie w [at] (atmosferach technicznych) atmosfera fizyczna [atm] - odpowiada 760mmHg, ma zastosowanie w fizyce. Często stosowane oznaczenie to [ATA] oznacza ciśnienie absolutne wyrażone w atmosferach fizycznych. Paskal - jeżeli powierzchnię wstawimy w [m 2 ], a siłę w [N] to otrzymamy ciśnienie w [Pa] (Paskalach). Paskal jest bardzo małą jednostką, dlatego w praktyce operuje się większą jednostką jaką jest [MPa] Mega Paskalami 1MPa= Pa. Mimo że [Pa] jest legalną jednostką układu SI w nurkowaniu nie jest stosowany, przyjęło się podawać ciśnienie w atmosferach technicznych [at] i barach [bar]. Mega paskale [MPa] używa się w urządzeniach podlegających pod dozór techniczny, takich jak np. sprężarki. Na szczęście przeliczenie na [at] i [bar] jest dosyć proste, dla potrzeb nurkowych można stosować z powodzeniem zaproponowany poniżej przelicznik. Bar - często podaje się również ciśnienie w barach [bar]. Jeden bar to z definicji 10mH 2 O (10m słupa wody). 1l (litr) wody destylowanej waży 1kg, ponieważ 1l=1dm 3 a 1dm 3 =1000cm 3 to gdy ustawimy na powierzchni 1cm 2 słup wody składający się z 1000cm 3 (słup ten będzie miał 10mH 2 O wysokości), to otrzymamy ciśnienie równe 1at.

3 Poniżej przedstawiam zależności pomiędzy poszczególnymi jednostkami ciśnienia: 1at = 0,1MPa = 1bar= 10m H 2 O Należy również pamiętać że jest atmosfera fizyczna [Atm] 1Atm = 1,033at Stosowanie atmosfery fizycznej w obliczeniach nurkowych nie ma większego sensu, ponieważ żadne przyrządy nie są wyskalowane w tych jednostkach. Manometry są wyskalowane w atmosferach technicznych [at] lub barach [bar] i takie jednostki należy stosować (PADI uparło się na prowadzenie obliczeń w atmosferach fizycznych). Dokładne zależności między poszczególnymi jednostkami zostały zestawione w poniższej tabelce 2 kg/cm atmosfera paskal bar kg/m 2 [atmosfera fizyczna techniczna] (atm) (at) tor [Tr] mmhg 1 Pa (N/m 2 ) = ,102 0, , , bar (dan/cm 2 ) = ,02 0, kg/m 2 = 9,81 9, , , atmosfera techniczna (at) = 1 kg/cm 2 = 1 atmosfera fizyczna (atm) = (760 tor [Tr]) = , , , , tor [Tr] = 1 mmhg = 133 0, ,6 0, , CIŚNIENIE ATMOSFERYCZNE Ciśnienie atmosferyczne - to ciśnienie pochodzące od nacisku słupa powietrza. Ciśnienie atmosferyczne jest podawane w prognozach pogody, jednostką jest hpa. Normalne ciśnienie to około 1000hPa (dawniej było podawane w milimetrach słupa rtęci [mm Hg]). Dla celów nurkowych przyjmuje się że na poziomie morza wynosi ono 1at, daje to wystarczającą dokładność w obliczeniach. Patmo = 1at W górach ciśnienie atmosferyczne jest niższe, zmniejsza się z wysokością n.p.m.. Ważny czynnik przy nurkowaniach w górach ze względu na konieczność zmiany stosowanych tabel dekompresyjnych oraz wyzerowania głębokościomierza (kompensacja wysokościowa). Do pomiaru ciśnienia są stosowane barometry rtęciowe lub mierniki elektroniczne. Ciśnienie powietrza zmienia się w przybliżeniu wykładniczo wraz z wysokością n.p.m. Powietrze staje się coraz rzadsze i chłodniejsze. Przykładowo, ciśnienie na wierzchołku Mount Everest (8 848 m n.p.m.) wynosi ok. 310 hpa. Natomiast połowa ciśnienia z poziomu morza, czyli 500 hpa, występuje na wysokości ok m n.p.m. Powyżej wysokości 5800 m n.p.m. nie jest możliwe długotrwałe przebywanie człowieka bez dodatkowego tlenu. Mimo zdolności adaptacyjnych ludzkiego organizmu, procesy wyniszczające organizm są powyżej tej granicy tak silne, że tak wysokie partie gór zyskały sobie miano Strefy Śmierci. Należy odróżnić faktyczne ciśnienie powietrza w danym miejscu od podawanego w prognozach pogody. W prognozie pogody podawane jest ciśnieniem znormalizowane - tzn takie jakie panuje w danym miejscu przy założeniu, że to miejsce znajduje sie na poziomie morza. Jeżeli to miejsce w rzeczywistości znajduje się np. dajmy na to na wysokości 1000m n.p.m. należy dokonać odpowiednich przeliczeń.

4 Poniżej zamieszczam tabelkę z wyliczonymi zmianami ciśnienia zależnie od wysokości - skok co 100m

5 Wykres zmian ciśnienia dla mmhg według danych z tabeli Wykres zmian ciśnienia dla hpa według danych z tabeli Wzory barometryczny Wzór barometryczny wzór określający zależność między wysokością w metrach nad poziomem morza A, a ciśnieniem atmosferycznym Po Ph=Po*exp(-0,000125*A) gdzie: Ph - ciśnienie w górach na wysokości A (w takich samych jednostkach jak Po) Po - ciśnienie na poziomie morza (760mmHg lub 1013hPa) wysokość nad poziomem morza w metrach [m] Przykład: Nurkujemy w górach na wysokości 1665m. Jakie ciśnienie panuje na tej wysokości? Ciśnienie na wysokości 1665m.n.p.m zostało obliczone z wzoru Ph=Po*exp(-0,000125*A) gdzie A to wysokość ponad poziomem morza w [m] Ph=1013*exp(-0, *1665) = 822hPa czyli jest o 191hPa niższe od tego na poziomie morza. Spadek ciśnienia ma wpływ na głębokość przystanków dekompresyjnych oraz prędkość wynurzania, tu tylko zaznaczę, że przystanki będą płycej, a prędkość wynurzania będzie mniejsza. Więcej wiadomości znajdziesz w dziale nurkowanie w górach. Co mówią zmiany ciśnienia? Zmiany ciśnienia pomagają w przepowiadaniu pogody, poniżej zamieszczam podstawowe zasady. Powolny spadek barometru o 2 3 mm/dobę = odległy spadek ciśnienia bez znaczącej zmiany pogody. Spadek o 1 2 mm/godzinę = bliskie zakłócenia, krótkotrwałe opady. Duży spadek o 6 10 mm w ciągu 4 5 godzin = burza, wichura, silne wiatry. Powolny i trwały spadek o bardzo niskiej amplitudzie = trwała brzydka pogoda. Szybki wzrost = krótkotrwała ładna pogoda. Regularny wzrost = ładna sucha pogoda, a zimą suche chłodne powietrze.

6 Co pociągają za sobą zmiany ciśnienia? Zmiany ciśnienia pociągają za sobą zmianę ciśnienia parcjalnego tlenu. To czy możemy oddychać danym gazem (w tym przypadku jest to oczywiście powietrze) nie zależy tylko od procentowej zawartości tlenu, ale również od ciśnienia. Za granicę omdlenia przyjmuje się 0,16atm (zawartość tlenu 16% przy normalnym ciśnieniu). I tak na wysokości 5600m n.p.m. ciśnienie wynosi 0,5 ciśnienia z poziomu morza, w powietrzu również jest 21% tlenu jednak pod mniejszym ciśnieniem ciśnienie parcjalne tlenu będzie tylko 0,105atm czyli znacznie poniżej wartości przyjętej za granicę omdlenia. CIŚNIENIE HYDROSTATYCZNE Ciśnienie hydrostatyczne Phydr - pochodzące od słupa wody (H 2 O), wzrasta liniowo co 10m H 2 O o 1at w wodzie słodkiej. Można je wyliczyć z wzoru: Phydr = D/10 [at] gdzie: D - głębokość wyrażona w metrach [m] Aby obliczyć więc ciśnienie hydrostatyczne panujące na głębokości 22m należy za D podstawić wartość 22m, i otrzymamy: Phydr = 22/10 = 2,2at CIŚNIENIE ABSOLUTNE Ciśnienie absolutne Ptot - określa wartość ciśnienia, określoną w stosunku do próżni. W obliczeniach nurkowych mówiąc o ciśnieniu działającym na nurka, mówimy właśnie o ciśnieniu absolutnym, które jest sumą ciśnienia atmosferycznego i hydrostatycznego. Wzór na ciśnienie absolutne ma postać: Ptot = Phydr + Patmo Ciśnienie działające na płetwonurka to suma ciśnienia hydrostatycznego i atmosferycznego. W praktyce stosuje się wzór, w którym ciśnienie hydrostatyczne wylicza się wstawiając głębokość w metrach a wartość ciśnienia atmosferycznego przyjmuje się równą 1at. Ptot = D/ [at] Przykład: Ciśnienie absolutne dla głębokości 22m wynosi: Ptot = 22/ = 3,2at W przypadku w których dane ciśnienie porównujemy do innego ciśnienia możemy mówić o: nadciśnieniu -o ile dane ciśnienie jest wyższe od ciśnienia odniesienia podciśnieniu -o ile dane ciśnienie jest niższe od ciśnienia odniesienia. Korzystając z powyższych informacji możemy obliczyć: jakie ciśnienie panuje na poziomie morza? (zadanie 1A) jakie ciśnienie panuje na dowolnej głębokości? (zadanie 2A) 2 CIŚNIENIE PARCJALNE - PRAWO DALTONA /(PRAWO CIŚNIEŃ PARCJALNYCH) Prawo Daltona Umiejętność wyliczania ciśnienia parcjalnego danego gazu jest niezwykle ważna, bo to ciśnienie parcjalne decyduje o oddziaływaniu danego gazu na naszą fizjologię czyli zachowaniu się naszego organizmu pod wodą. Tematy związane z ciśnieniem parcjalnym powinny być znane wszystkim płetwonurkom a w szczególności nurką którzy stosują mieszanki oddechowe inne niż powietrze (nitrox, trimix), Prawo ciśnień parcjalnych Ciśnienie mieszaniny gazów równa się sumie ciśnień, jakie wywierałyby poszczególne składniki gazu gdyby były same w danej objętości (ciśnienie jakie wywierałby gaz gdyby znajdował się sam w zbiorniku). Ciśnienie całkowite mieszaniny gazowej jest równe sumie ciśnień parcjalnych wszystkich składników.

7 gdzie: Ptot = PP1 + PP PPn [at] (1) Ptot - ciśnienie całkowite (absolutne) mieszaniny gazów PP1 - ciśnienie parcjalne gazu 1 (Partial preasure) PP2 - ciśnienie parcjalne gazu 2 PPn - ciśnienie parcjalne gazu n-tego Każdemu składnikowi mieszaniny możemy przypisać tzw. ciśnienie parcjalne PP, będące iloczynem ciśnienia całkowitego Ptot i jego procentowej zawartości objętościowej czyli frakcji F (wyrażonej w setnych częściach z całości). PP = Ptot * F [at] (2) Przykładowo procentowa zawartość (frakcja) tlenu O2 w powietrzu atmosferycznym (czyli dla ciśnienia 1at) wynosi 21%, po zamianie na setne będzie to F=0,21 czyli otrzymamy: PPO2 = 1at * 0,21 = 0,21at Dla azotu N2 znajdującego się w powietrzu atmosferycznym (79%) będzie to: PPN2 = 1at * 0,79 = 0,79at Jeżeli chcemy obliczyć ciśnienie parcjalne danego gazu na dowolnej głębokości we wzorze (2) musimy uwzględnić zwiększenie ciśnienia całkowitego (absolutnego). Ciśnienie całkowite jest równe ciśnieniu atmosferycznemu i hydrostatycznemu i można je obliczyć z wzoru: Ptot = D/ [at] (3) gdzie: D - głębokość wyrażona w metrach [m] połączenie wzoru (2) i (3) da nam: PP = (D/10 + 1) * F [at] Przykładowo ciśnienie parcjalne na głębokości 30m dla tlenu o frakcji FO2=0,21 Wyniesie PPO2 = (30/10+1) * 0,21 = 4 * 0,21 = 0,84at jeżeli jednak nurkowanie będzie na nitroksie o frakcji tlenu FO2=0,36 to otrzymamy ciśnienie parcjalne tleny: PPO2 = (30/10+1) * 0,36 = 4 * 0,36 = 1,44at W nurkowaniu amatorskim w trakcie zanurzania nie wolno przekraczać ciśnienia parcjalnego tlenu 1,4at stąd wniosek, że nie jest to już właściwa mieszanka dla tej głębokości. Oczywiście możemy mieć również przypadek odwrotny w czasie nurkowania na trimiksie w którym frakcja tlenu FO2=0,04, po wstawieniu wartości do wzoru otrzymamy: PPO2 = (30/10+1) * 0,04 = 4 * 0,04 = 0,16at Taką mieszanką nie da się oddychać i albo należy zmienić skład mieszanki albo głębokość na której zakończymy na tej mieszance oddychać. Są również, odpowiednie tabele, np. tabela ciśnień parcjalnych tlenu. Stosowanie tabel jest wygodne, zwalnia nas z obliczeń, dzięki czemu redukuje ilość pomyłek. - tabela ciśnień parcjalnych tleny W identyczny sposób można policzyć ciśnienia parcjalne dla pozostałych gazów: azotu i helu. Korzystając z powyższego wzoru możemy obliczyć: ciśnienie parcjalne tlenu i azotu w powietrzu atmosferycznym (zadanie 10A) maksymalną głębokość nurkowania na powietrzu (zadanie 11A) maksymalną głębokość nurkowania na czystym tlenie (zadanie 12A) jak wyliczyć maksymalną głębokość nurkowania dla nitroksu (zadanie 13A) wyliczenie głębokości równoważnej dla nasycenie azotem dla nitroksu (w stosunku do powietrza) (zadanie 14A)

8 3 FIZYKA W ZADANIACH 4 POWIETRZE JAKO GŁÓWNY CZYNNIK ODDECHOWY Powietrze - gaz tworzący atmosferę Ziemi, jako ogólnie dostępny stanowi główny czynnik oddechowy w nurkowaniu rekreacyjnym. Procentowy skład powietrza oraz wysokość ciśnień parcjalnych poszczególnych składników przy ciśnieniu 1at (na poziomie morza) jest następujący. Przy obliczeniach stosuje się równanie gazu doskonałego. Gaz ilość w % ciśnienie parcjalne [at] Azot 78,09 0,7809 Tlen 20,95 0,2095 Dwutlenek węgla 0,03 0,0003 Inne gazy 0,93 0,0093 Obecnie uznaje się, że max dopuszczalna głębokość nurkowania na powietrzu wynosi 50m. Wynika to z faktu, że w powietrzu znajduje się: 1. azot - który pod zwiększonym ciśnieniem parcjalnym działa narkotycznie na nasz organizm, 2. tlen - działajacy pod zwiększonym ciśnieniem parcjalnym, jak paraliżujący gaz bojowy - prowadzi do zatrucia tlenowego. Graficzne przedstawienie garści informacji o powietrzu

9 5 PRAWO ARCHIMEDESA A PŁYWALNOŚĆ. Prawo Archimedesa Wchodząc do wody czujemy się lżejsi, wręcz unosimy się na wodzie, dzieje się tak z powodu siły wyporu. Siła wyporu towarzyszy każdemu ciału znajdującemu się w wodzie, jej źródłem jest parcie cieczy. Zwrot działania siły wyporu skierowany jest przeciwnie, niż siły ciężkości. Odpowiednie prawo sformułował grecki uczony Archimedes. Na ciało zanurzone w cieczy działa siła wyporu, równa co do wartości ciężarowi wypartej przez ciało cieczy. Kontrola pływalności, należy do tych umiejętności płetwonurka, od których opanowania zależeć będzie komfort i bezpieczeństwo wszystkich nurkowań. Nauka kontroli pływalności opiera się w zasadzie głównie na ćwiczeniach praktycznych, jednak podanie podstawowych reguł rządzących zmianami pływalności oraz informacje dotyczące obsługi kamizelki ratowniczo-wyrównawczej (następny rozdział) powinny ułatwić opanowanie tej umiejętności. Siła wyporu działa pionowo do góry i zaczepiona jest w tzw. środku wyporu, który pokrywa się ze środkiem ciężkości wypartej cieczy. Należy pamiętać, że siła ciężkości nie przestaje działać. Jest ona równa ciężarowi ciała, skierowana pionowo w dół i zaczepiona w jego środku ciężkości. W warunkach równowagi obie siły równoważą się. Jeżeli tak nie jest, ciało zmienia swoje położenie - opada albo wypływa. Liczbowo, siłę ciężkości G oraz siłę wyporu W możemy wyrazić następującymi wzorami: G = gcia* V * g, W =gcie * V *g gdzie: gcie - gęstość cieczy, gcia- gęstość ciała, V- objętość ciała, g- przyspieszenie ziemskie =9,81 W zależności od relacji pomiędzy siłą wyporu i siłą ciężkości wyróżniamy następujące stany pływalności: pływalność dodatnia, kiedy W>F, pływalność ujemna, kiedy F>W, pływalność zerowa (neutralna), kiedy F=W. Utrzymanie równowagi pod wodą - doskonała pływalność zerowa Wiemy, że do regulacji pływalności służy sprzęt: system wypornościowy czyli BCD lub BC - pozwala na największe zmiany pływalności, od ujemnej, do dodatniej, utrzymywani nurka w sposób bezpieczny na powierzchni wody. Pojemność systemów wypornościowych waha się od 10-50kg, chodź może mieć i więcej. Przeciętnie system

10 wypornościowy posiada wyporność między 15-20kg, powinien być dostosowany do posiadanego sprzętu. system balastowy najczęściej w postaci pasa balastowy, pozwala zrównoważyć dodatnia pływalność skafandra nurkowego (pianki, skafandra suchego). Ilość balastu należy ustalić, przed każdym nurkowaniem, przed którym nasz sprzęt uległ zmianie w elementach wpływających na pływalność, chodzi tu o grubość oraz rodzaj skafandra, rodzaj butli, stosowany system wypornościowy, dodatkowe obciążenie, latarka, kamera filmowa. Nawet zmiana środowiska, z wody słonej na słodką i odwrotnie powinna być uwzględniona. Dobór balastu zostanie opisany przy ćwiczeniu wyważenie kontrolne. Nie tylko właściwy sprzęt jest niezbędny, aby utrzymać pływalność neutralną. Nawet małe zmiany miedzy siłą wyporu a siłą ciężkości będą powodowały, zmianę pływalności na dodatnia albo ujemną. Płuca są ważnym elementem tego układu, nawet normalny oddech wpływa na zmianę pływalności. Przypomnę najważniejszą zasada w nurkowaniu brzmi, cały czas oddychaj i nigdy nie wstrzymuj oddechu. Jak to zrobić, aby jednocześnie oddychać i regulować pływalność? Spawa jest bardzo prosta, wstępnie pływalności regulujemy BCD, przez jej napełnienie lub opróżnienie. Płuca służą wyłącznie do utrzymania danej głębokości. Oddech powinien być normalny, zbyt głęboki wdech lub wydech powoduje duże zmiany pływalności utrudniające utrzymanie danego poziomu w wodzie. Nasza pływalność w wodzie jest zerowa, jednak nie znaczy to wcale, że nasze ciało nie posiada masy, strata masy ciała jest pozorna. Właśnie z powodu masy ciała, powstaje siła bezwładności, która powoduje, że wszelkie zmiany w pływalności zachodzą z pewnym opóźnieniem. I tak, jeżeli weźmiemy wdech, to wcale nie znaczy, że natychmiast zaczniemy się wynurzać, nastąpi pewna zwłoka czasowa. Regulacja pływalności płucami polega na takim wyregulowaniu oddechu, aby oddychać w przeciw fazie do zmian pływalności tzn., kiedy lekko opadamy, bierzemy wdech, kiedy podnosimy się do góry robimy wydech. Nasza pływalność będzie się zmieniała w minimalnym zakresie, maksymalnie kilku centymetrów. Zapoczątkowanie zanurzania polega na wykonaniu wydechu, zanurzenie o kilka centymetrów powoduje wzrost ciśnienia wody i ściśnięcie, BCD pływalność spadnie, zaczniemy się zanurzać, aby prędkość zanurzania nie była zbyt duża należy, w trakcie zanurzania cały czas dopełniać gazem BCD, aby utrzymać stałą, cały czas lekko ujemna pływalność. Gaz do BCD wpuszczamy przez impulsowe naciskanie przycisku oddawczego na inflatorze. Prawidłową obsługę inflatora wymaga treningu. Dobrym ćwiczeniem do uczącym regulacji pływalności jest: balansowanie na płetwach, zawiśnięcie w toni, oba są opisane w dziale podstawowe umiejętności. Gęstość ciała ludzkiego jest w przybliżeniu równa gęstości wody, tak, więc nie ubrani w sprzęt nurkowy, posiadamy pływalność neutralną a to czy unosimy się na powierzchni czy zanurzamy pod wodę zależy głównie od ilości powietrza wypełniającego nasze płuca. Regulacja pływalności Na pływalność płetwonurka pod wodą ma wpływ szereg czynników

11 Przykład 1. Nurek przy średnim wdechu ma pływalność zerową (pływalnością w żargonie nurkowym nazywamy różnicę pomiędzy siłą wyporu całkowicie zanurzonego ciała i jego ciężarem). Jaką pływalność będzie miał, jeżeli wypuści z płuc 2 l powietrza? Rozwiązanie. Po wypuszczeniu z płuc 2 l powietrza, objętość jego ciała zmniejszy o 2 l, zatem działająca na niego siła wyporu zmniejszy się o 2 kg. Ponieważ uprzednio siła ciężkości i wyporu równoważyły się, teraz ciężar jest o 2 kg większy od siły wyporu i nurek ma pływalność ujemną, równą -2 kg. Zadanie 4A, 4B. Nurek waży 60kg. Jedzie nurkować w Morzu Martwym, w którym na skutek zasolenia gęstość wody wynosi 1,3kg/l. O ile więcej kg obciążników będzie musiał zabrać zakładając, ze jest wyważony na warunki wody słodkiej? Rozwiązanie. Pomyślmy, płetwonurek waży 60kg i ma pływalność zerową, tzn że wyparł 60l wody. Woda słodka ma ciężar 1kg/l. Teraz też musi wyprzeć 60l wody aby mógł się zanurzyć, problem w tym że woda ma większą gęstość =1,3kg/l. Różnica w gęstości wynosi 1,3kg/l-1,0kg/l=0,3kg/l czyli aby zanurzyć każdy następny kg swojego ciała musi zabrać więcej o 0,3kg. Obliczenie jest już proste 60kg*0,3=18kg. Straszne o 18kg więcej. Można zadać pytanie, jak często nurkuje się w Morzu Martwym? Odpowiedź wcale się tam nie nurkuje, chodzi tylko pokazanie jak wielki wpływ ma zmiana ciężaru wody. Przeprowadźmy podobne obliczenie dla Morza Śródziemnego. Jego zasolenie wynosi 39g/l co przy dużym uproszczeniu da nam ciężar wody ok. 1,04kg/l. Nasz płetwonurek będzie musiał zabrać 60kg * 0,04 = 2,4kg Przykład 3. Nurek mający bez skafandra pływalność 0 potrzebuje do zrównoważenia swojej pływalności na powierzchni 10 obciążników o ciężarze 0,5 kg. a).jaką będzie miał pływalność w skafandrze z tym obciążeniem na głębokości 40m? b). Ile musi zabrać obciążników by mieć pływalność 0 na tej głębokości? Rozwiązanie: Praktycznie całe obciążenie 10*0.5 kg=5kg potrzebne jest do zrównoważenia siły wyporu działającej na powietrze zawarte w skafandrze. Zawiera on więc 5l gazu. Po zanurzeniu na głębokość 40m, gdzie panuje ciśnienie 5 at, powietrze to spręży się do objętości 5-cio krotnie mniejszej, czyli do 1 l i będzie na nie działać siła wyporu 1kG. Nurek wraz ze swoim skafandrem stracił 4l objętości. Ponieważ na powierzchni miał pływalność zerową, na 40 m ma pływalność ujemną, równą -4kG. Przykład 4. Nurek o pojemności całkowitej płuc 6l, ma na pełnym wdechu na powierzchni pływalność 2 kg. Jaką będzie miał po zanurkowaniu z zatrzymanym oddechem do głębokości a). 10m, b). 20m? Rozwiązanie: Przy nurkowaniu zmienia się ciśnienie otaczające nurka. Ponieważ powietrze w płucach nie zmienia swojej temperatury, zgodnie z przemianą izotermiczną: P*V=Po*Vo V=Po*Vo/P a). Ponieważ Po=Pa=1at, Vo=6 l, P1=Pa+Ph=2at V=3 l Początkowa objętość powietrza równa 6 l zmniejszyła się do 3 l, zatem nurek po zanurzeniu zmniejszył swoją całkowitą objętość o 3 l, a pływalność o 3kG. Ponieważ na powierzchni jego pływalność wynosiła 2 kg, po zanurzeniu na głębokość 10m jego pływalność jest ujemna i wynosi -1kG.

12 6 RÓWNANIE GAZU DOSKONAŁEGO Bardzo ważne dwie uwagi: równanie opisuje zachowanie gazu, jeżeli ilość gazu przed i po reakcji nie uległa zmianie. można przy jego pomocy obliczyć prawie wszystko co dotyczy zmiany parametrów gazu. wszystkie parametry są podane w wartościach absolutnych. Iloczyn ciśnienia gazu i jego objętości przez temperaturę gazu posiada wartość stałą. Przekładając to na bardziej ludzki język - zmiana jednego parametru powoduje również zmianę co najmniej drugiego, tak aby wartość całego wyrażenia nie uległa zmianie. Wszystkie wartości w równaniu są wartościami absolutnymi i należy bezwzględnie o tym pamiętać. ciśnienie absolutne- określa wartość ciśnienia, określoną w stosunku do próżni. temperatura absolutna - określa wartość temperatury wyrażoną w stopniach Kelwina, a nie jak to powszechnie czynimy w stopniach Celsjusza. Jest to bardzo ważne ponieważ chodź 1stopień Kelvina odpowiada 1stopniowi w skali Celsjusza to wartość 0 K=- 273 o C. objętość absolutna - powszechnie używa się wartości zakładając że zaczynamy od wartość początkowej = zero. W praktyce powyższy wzór przekształcamy do postaci przedstawionej poniżej. Parametry z indeksem (1) oznaczają parametry gazy przed zmianą stanu układu, a z indeksem (2) po zmianie. Rozwiązanie równania w którym po jednej stronie występują trzy niewiadome jest trudne, w praktyce nurkowej wszystkie zmiany dają się sprowadzić do postaci kiedy zmieniają się tylko dwa parametry a jeden jest stały. Przemiana izotermiczna Przemiana izotermiczna występuje, kiedy temperatura w czasie reakcji nie zmienia się. Jest taka sama przed jak i po reakcji. Równanie gazu doskonałego przyjmuje postać uproszczoną: Korzystając z powyższego wzoru możemy obliczyć: do jakiej głębokości można bezpiecznie nurkować na bezdechu, nie naradzając się na zgniecenie (zadanie 5A) jak zmienia się objętość płuc z głębokością (zadanie 6A) jak zmienia się pływalność przy nurkowaniu w głąb na bezdechu (zadanie 6B) jak wybrać butlę z właściwą ilością czynnika oddechowego na głębokie nurkowanie (zadanie 7A) na ile wystarczy nam zapas powietrza zgromadzony w butli - metoda uproszczona (zadanie 8A) na ile wystarczy nam zapas powietrza zgromadzony w butli - metoda pełna (zadanie 8B) jak zmienia się objętość przedmiotów elastycznych wypełnionych gazem w czasie wypływania (zadanie 9A)

13 Dodatek: Jak rzeczywiste gazy odbiegają od równania przemiany izotermicznej. Z tego wzory obliczamy zapas gazy, jaki znajduje się w butlach. Porównajmy wynik otrzymany z obliczeń i z doświadczenia Obliczenia Weźmy 2 butle o identycznej pojemności i wykonajmy dwa obliczenia. 1. jedną z butli napełniamy do 200 bar, łączymy z drugą pustą i wyrównujemy ciśnienia. Wyliczmy jakie ciśnienie powinno być w butlach? Ponieważ objętość butli jest identyczna otrzymamy wzór P3 = (P1 + P2)/2Otrzymamy więc P3 = ( )/2 = 100at 2. jedną z butli napełniamy do 300 bar, łączymy z drugą pustą i wyrównujemy ciśnienia. Wyliczmy jakie ciśnienie powinno być w butlach? Ponieważ objętość butli jest identyczna otrzymamy wzór P3 = (P1 + P2)/2Otrzymamy więc P3 = ( )/2 = 150at Doświadczenie Weźmy 2 butle o identycznej pojemności i wykonajmy dwie próby. 1. jedną z butli napełniamy do 200 bar, łączymy z drugą pustą i wyrównujemy ciśnienia. Wynik: w obu butlach pozostało po 97 bar. 2. jedną z butli napełniamy do 300 bar, łączymy z drugą pustą i wyrównujemy ciśnienia. Wynik: w obu butlach pozostało po 135 bar. Jak widać obliczenia nie zgadzają się z doświadczeniem Wyjaśnienie W termodynamice chemicznej 12 rozdział Kalendarza chemicznego rok 55 prof. dr. Bretsznajder i doc. dr. Całus. W technice często zachodzi potrzeba policzenia własności substancji a w sytuacji braku odpowiednich tabel można policzyć potrzebne dane w oparciu o teorię "według której substancje znajdują się w stanach odpowiadających sobie, Gdy równe są ułamkowe (zredukowane) parametry określające te stany, tzntemperatura ułamkowa i ułamkowe ciśnienie." Tr=T/Tc Pr=P/Pc gdzie Tr, Pr wielkości temp. iciśnieniazredukowanego a Tc, Pc temp i ciśnienie krytyczne gazu. Dla gazów H2, He, Ne wzory Tr=T/(Tc+8) Pr=P/(Pc+8) ciśnienia w at temp w K. Równania Stanu Gazu Rzeczywistego dla 1 mola pv=zrt gdzie z jest współczynnikiem ściśliwości Wartość podana przez Berthelota z=1+9/128(pr/tr)(1-6/tr*) gdzie *=2 Jak widać jest to funkcja ciśnienia i temperatury. pv=zrt lub zapisane w innej formie pv/z(p,t)=rt a stąd pv/z(p,t)=const. Dla mieszanin wieloskładnikowych stosujemy parametry pseudokrytyczne, policzone jako kombinację linową ze współczynnikami równymi molowym ułamkom zawartości (zawartość procentowa objętościowa) składników. Po tej porcji wiedzy która służy chemikom do liczenia procesów chemicznych np. pracy sprężarek do 1000at. Przechodzimy do nurkowania. 1,03(50) 1,06(100) 1,09(150) 1,12(200) 1,15(250) 1,17(300at) Hel 0,98(50) 0,96(100) 0,98(150) 1,02(200) 1,08(250) 1,14(300at) N2 0,98(50) 0,97(100) 0,96(150) 0,97(200) 0,99(250) 1,02(300at) O2 0,98(50) 0,96(100) 0,97(150) 1,01(200) 1,05(250) 1,10(300at) powietrze Wykonajmy obliczenia uwzględniając poprawkę na ściśliwość gazów. 0,96(100)/1,01(200)x100at=95at 0,97(150)/1,10(300at)x150at=132at Podałem współczynniki ściśliwości policzone wg. modelu.

14 Widać że w 300at wchodzi do butli więcej czynnika oddechowego, dlatego jest to nieunikniony kierunek rozwoju. (Niektórzy muszą poczekać aż Guru DIR to ogłoszą) W ten sposób można policzyć dowolne wieloskładnikowe mieszaniny i wiedzieć jak ich zachowanie odbiega od gazu doskonałego. Dodatkowo dane pokazują bezsensowność stanowiska dyskutantów w temacie blender??? dla których pomiar ciśnienia dokładnym miernikiem zapewniał wszystko. Jak widać zmiany są większe niż 0,1%. Przemiana izochoryczna (prawo Charlesa) Przemiana izochoryczna (prawo Charlesa) występuje, kiedy objętość jest stała, zmianie ulega temperatura i ciśnienie. Równanie gazu doskonałego przyjmuje postać uproszczoną P1/T1=P2/T2. Uwaga: Temperatura musi być podawana w stopniach Kelvina K. Przykład 1 Powietrze w czasie sprężania zwiększa swoja temperaturę nawet do 80C. Rozgrzane wpływa do butli, gdzie się schładza oddając część ciepła butli. Napełniliśmy butlę powietrzem do 200at i temp. powietrza w butli wynosi 47C. Następnie pojechaliśmy nurkować. Butla w czasie przejazdu schłodziła się do 7C. Jaką wartość ciśnienia pokaże manometr przed wejściem do wody? Rozwiązanie: Objętość gazu nie uległa zmianie (zależy ona od wielkości butli [zmianę rozmiaru butli pod wpływem temperatury zaniedbujemy] a więc mamy równanie przy stałej objętości V=const. Należy przekształcić równanie ze względu na p2 = p1 * T2/T1 (pamiętaj temperatura w stopniach Kelvina). T2 = = 280K T1 = = 320K p2 = 200at * 280/320 p2 = 200at * 0,875 = 175at Ciśnienie w butli będzie wynosić 175at czyli spadnie o 25at. Przykład 2 Nurek napełnił butlę powietrzem do ciśnienia 200at. Temp. Powietrza w butli była 47C. Butlę pozostawił na słońcu i temp butli wzrosła do 87C. Jakie jest ciśnienie w butli? Rozwiązanie: Objętość gazu nie uległa zmianie a więc mamy równanie przy stałej objętości V=const. Należy przekształcić równanie ze względu na p2=p1*t2/t1 (pamiętaj temperatura w stopniach Kelvina) T2 = = 360K T1 = = 320K p2 = 200at * 360/320 p2 = 200at * 1,125 = 225at Ciśnienie w butli będzie wynosić 225at czyli wzrośnie o 25at. Przemiana izobaryczna Przemiana izobaryczna, kiedy ciśnienie jest stałe. Wzór przyjmuje postać uproszczoną:

15 7 PRAWO HENRY EGO Stężenie rozpuszczonego gazu C znajdującego się w równowadze z fazą gazową jest wprost proporcjonalne do ciśnienia P wywieranego przez ten gaz. Oznacza to, że jeżeli wzrasta ciśnienie gazu na styku z cieczą, to wzrasta ilość rozpuszczonego gazu w cieczy. lub prościej Rozpuszczalność gazu C w cieczy rośnie proporcjonalnie do ciśnienia gazu będącego w kontakcie z cieczą (i oczywiście od współczynnika k, charakterystycznego dla danego gazu). gdzie: C - stężenie rozpuszczonego gazu k - wsp. rozpuszczalności gazu P ciśnienie Zmiany ciśnienia powodują określone konsekwencje. Nasycanie zwiększa się, kiedy ciśnienie rośnie, kiedy spada nadmiar gazu musi się wydzielić. Gaz znajdujący się w stanie przesycenia, wydziela się z cieczy pod postacią pęcherzyków gazowych, które są odpowiedzialne za powstawanie choroby dekompresyjnej. Nasycanie nazywamy saturacją, odsycanie desaturacją. Oba procesy są niezmiernie ważne z punktu widzenia teorii dekompresji. Więcej na ten temat będzie w dziale teoria dekompresji. 8 PRAWO NERNSTA Układ krążenia i oddechowy jest odpowiedzialny za wyminę gazową w organizmie, krew transportuje nie tylko tlen i dwutlenek węgla, ale wszystkie gazy, które znajda się w płucach. Krew rozprowadza gazy po wszystkich tkankach organizmu do czasu ustalenia się równowagi między krwią a tkanką. Stan równowagi określa prawo podziału Nernsta, które brzmi. Jeżeli do układu zawierającego dwie nie mieszające się ciecze dodamy substancję, która się w nich rozpuszcza (gaz), to stosunek stężeń substancji rozpuszczonej w obu cieczach będzie wartością stałą w określonej temperaturze. W fizjologii nurkowania stosuje się współczynniki ustalone dla fazy wodnej (krew) i olejowej (tkanki) przy temperaturze 37 C. Im współczynnik podziału olej/woda jest mniejszy, tym stan równowagi jest szybciej osiągnięty. Współczynnik podziału olej/woda dla poszczególnych gazów wynosi: tlen (O2)-4,86, azot (N2)-5,2, helu (He)-1,7, wodoru (H)-3,0. Z przedstawionych zależności wynika jasno, nasycenie tkanek helem nastąpi znacznie szybciej niż azotem. Oczywiście na czas, w którym osiągniemy stan równowagi ma wpływ szybkość dyfuzji, a ta przebiega zgodnie z prawami Ficka 9 PRAWA FICKA / Szybkość dyfuzji Dyfuzja Proces samorzutnego rozprzestrzeniania się cząsteczek w danym ośrodku (np. w gazie, cieczy lub ciele stałym), będący konsekwencją chaotycznych zderzeń cząsteczek dyfundującej substancji między sobą i/lub z cząsteczkami otaczającego ją ośrodka. Efektem dyfuzji w gazach i cieczach jest wyrównywanie się stężeń wszystkich składników w całej objętości fazy. Dyfuzja prowadzi do wyrównania się stężeń. Osiągnięcie stanu równowagi nie oznacza jednak ustania dyfuzji. Trwa ona nadal, jednak dzięki dokładnemu wymieszaniu się wszystkich składników, nie prowadzi już do zmian stężenia.

16 Ważnym jest, że dyfuzja trwa cały czas, jest procesem samorzutnego rozprzestrzeniania się cząsteczek, na jej przebieg nie wpływa wyrównywanie się stężeń. Zmiana stężenie jest za to parametrem o którym najczęściej myślimy mówiąc o dyfuzji. W nurkowaniu procesy dyfuzji mają istotne znaczenie w interpretacji zjawisk zachodzących zarówno podczas zanurzania, jak i dekompresji. Proces dyfuzji opisują prawa Ficka. Pierwsze prawo dyfuzji Ficka: Ilość substancji dyfundującej w czasie t przez określoną powierzchnię prostopadłą do kierunku dyfuzji, jest proporcjonalne do pola powierzchni S, gradientu stężeń i czasu. Drugie prawo dyfuzji Ficka: Szybkość dyfuzji gazów przez błonę przepuszczalną przy określonym ciśnieniu jest proporcjonalna do rozpuszczalności gazu w cieczy i odwrotnie proporcjonalna do pierwiastka kwadratowego z ciężaru cząsteczkowego danego gazu. I tak np. szybkość dyfuzji CO 2 w pęcherzykach płucnych jest większa od dyfuzji O 2 około 21 razy. Zobacz również temat kontrdyfuzja izobaryczna, temat tylko dla nurków trimiksowych OKREŚLENIA ZUŻYCIA MINUTOWEGO MIESZANKI ODDECHOWEJ SAC (Surface Air Consumption) - wskaźnik powierzchniowego zużycia gazu W planowaniu nurkowań, szczególnie tych wymagających dekompresji należy obliczyć zużycie mieszanki oddechowej. W obliczeniach uproszczonych stosowanych w trakcie nurkowania rekreacyjnego przyjmuje się, że w trakcie nurkowania zużywamy 20litrów/min przy danym ciśnieniu. W nurkowaniach technicznych wskaźnik powierzchniowego zużycia gazu (mieszanki oddechowej) nazywa się SAC i jest podawany w litrach/minutę (l/min). Można zadać pytanie jakie wartości SAC są prawidłowe? To oczywiście zależy od masy danej osoby, większy potrzebuje więcej, to znana prawda. Przeciętnie jednak ten większy nie powinien mieć SAC większego o 1-3l/min od tych mniejszych. Osoba typowa o dobrej technice oddechowej powinna mieć SAC poniżej 20l/min, mały SAC to 12-15l/min. Wartości mniejsze od 10l/min, to jednak juz zdecydowanie za mało, może dojść do retencji dwutlenku węgla CO2. Zużycie większe od 30l/min to już zdecydowanie za dużo. W przypadku nurkowania w zimnych wodach - temperatura mniejsza niż 10C - prawie na pewno dojdzie do sytuacji awaryjnej zamarznięcia automatu oddechowego. Aby poznać ile czynnika oddechowego potrzebujemy Vzg [l] musimy wskaźnik powierzchniowego zużycia gazu SAC [l/min] pomnożyć przez czas nurkowania t [min] oraz ciśnienie bezwzględne panujące na danej głębokości Ptot [at]. Vzg = t * SAC *Ptot gdzie: Vzg - zużycie gazu [l] SAC - wskaźnik powierzchniowego zużycia gazu [l/min] t - czas nurkowania w minutach Ptot - ciśnienie absolutne na danej głębokości [at] W praktyce stosuje się wzór w którym ciśnienie absolutne oblicza się znając głębokość nurkowania. Ponieważ Ptot = D/ nasz wzór będzie miał postać: Vzg = t * SAC * (D/10 + 1) (2) gdzie: D - głębokość [m] Przykładowo jeżeli planujemy nurkowanie na 10m na 30minut to zużyjemy: Vzg = 30min * 20l/min * (10/10 + 1) = 600 * 2 = 1200l jeżeli jednak przy tym samym zużyciu i czasie zwiększymy głębokość do 40m to nasze zużycie gazu wzrośnie Vzg = 30min * 20l/min * (40/10 + 1) = 600 * 5 = 3000l

17 Jak widać zużycie wzrasta proporcjonalnie do ciśnienia, Wzrost ciśnienia jest pięciokrotny to zużycie powietrza wzrasta pięciokrotnie, przeliczając zużycie na warunki normalne (powierzchniowe p=1at). Generalnie jeżeli mamy zaplanować właściwie ilość potrzebnego czynnika oddechowego do nurkowania należy mierzyć jakie mamy rzeczywiste zużycie. Nie możemy przyjmować wartości teoretycznej. Najprostsza metoda to przekształcenie wzoru (2) ze względu na SAC, otrzymamy wtedy: SAC = Vzg/[t * (D/10 +1)] dodatkowo za Vzg należy podstawić Vzg = Vbutli * (p1 -p2) gdzie: p1 - ciśnienie w butli na początku pomiaru [at] p2 - ciśnienie w butli na końcu pomiaru [at] Vbutli - objętość butli w litrach [l] nasz wzór będzie miał postać SAC = Vbutli * (p1 -p2)/[t * (D/10 +1)] (3) wzór można również przedstawić tak SAC = 10* Vbutli * (p1 -p2)/[t* (D +10) (4) Najlepiej przedstawię to na przykładzie. Zajęcia na basenie z kursantem (muszę przyznać, że oddychał wyjątkowo nerwowo), głębokość basenu 3m, całość zajęć na dnie, obaj posiadamy butle 15 litrowe. W ciągu 30minut ciśnienie w butli kursanta spadło z 200at do 40at a w mojej butli z 200at do 160at (po tych 30minutach musiałem kursant zmienić sprzęt). Mamy wszystkie dane aby obliczyć nasz zużycie minutowe mieszanki oddechowej. dla kursanta: SAC = 15*(200-40)/30*(3/10+1) = =15*160/30*1,3=2400/39=61,5l/min SAC = 15*( )/30*(3/10+1) = =15*40/30*1,3=600/39=15,4l/min Kursant ma zużycie minutowe 61,5l/min w moim przypadku było to 15,4l/min. Tak więc jak widać różnice mogą być spore. Jeżeli staramy się określić nasze zużycie minutowe mieszanki oddechowej należy przez pewien czas płynąć na stałej głębokości. Czym czas będzie dłuższy pomiar będzie bardziej dokładny. Wynika to z faktu, że do obliczeń należy odczytać wskazania manometru na początku i na końcu pomiaru, czym różnica będzie większa we wskazaniach, to mniej to wpłynie na dokładność pomiaru. Ważne jest również aby temperatura mieszanki oddechowej w czasie pomiaru była stała (wpływ termokliny). W praktyce nurkowej zaleca się aby pomiar trwał 10min na głębokości 10m, powoduje to znaczne uproszczenie wzoru (3) SAC = Vbutli * (p1 -p2)/[10 * (10/10 +1)] SAC = Vbutli * (p1 -p2)/20 [l/min] Myślę że ten ostatni wzór nie jest trudny i każdy będzie w stanie z niego korzystać. Dodam jeszcze, że jeżeli posiadamy komputer nurkowy z pomiarem ciśnienia, jesteśmy w stanie określić zużycie minutowe po zgraniu danych do komputera PC. Oczywiście jest potrzebny program komputerowy do odczytania danych, w programie należy zadeklarować z jakiej butli korzystamy. RMV - minutowa pojemność oddechowa Nurkowie techniczni czasami używają RMV zamiennie z SAC. To nie jest całkiem dokładnie to samo, lecz nie ma między tymi wskaźnikami zbyt dużej różnicy. RMV minutowa pojemność oddechowa jest definiowana jako: RMV = (Vt-Vd) * n gdzie: Vt - objętość wdechowa Vd - martwa objętość oddechowa n - ilość oddechów w ciągu minuty

18 11 ZJAWISKA JOULE A-THOMSONA / Wpływ na zamarzanie automatów W wielu książkach szukałem wyjaśnienia tego zagadnienia, materiałów jest sporo, jednak nigdzie nie wyło to wyjaśnione w przypadku konkretnych mieszanek. Nurków interesuje jak skład mieszanki oddechowej wpływa na zamarzanie automatów oddechowych. Wyniki w przypadku mieszanek z dodatkiem helu są bardzo ciekawe. Generalnie dodanie helu do mieszanki oddechowej zmniejsza ryzyko zamarznięcia automatu oddechowego, przez zmniejszenie spadku temperatury gazu w trakcie rozprężania na pierwszym stopniu. Przykładowo podam że zaczynając od mieszanki trimix 16/20 (FO2=0,16; FHe=0,20), zamarzanie nie jest możliwe, przynajmniej w wodzie o temperaturze 5 stopni Celsjusza. Tlen natomiast jest czynnikiem zwiększającym prawdopodobieństwo zamarznięcia automatu oddechowego (większy spadek temperatury). Nurkowanie pod lodem na mieszankach bogatych w tlen (nitrox) wydaje sie niecelowe. Poniższy opis pochodzi z strony Podkomisji Nurkowania Jaskiniowego i doskonale ilustruje istotę problemu. Temperatura mieszanki oddechowej za pierwszym stopniem automatu Celem niniejszego artykułu jest pokazanie praktycznego sposobu na wyznaczanie temperatury mieszanki oddechowej po rozprężeniu na pierwszym stopniu automatu. Niepokojące może się jednak wydawać to, że zjawisko to jest owiane pewnym nimbem tajemniczości, który wynika z szeregu niedomówień. Nie należy tego zjawiska demonizować, trzeba natomiast dokładnie i prosto wyjaśnić jego termodynamiczne podstawy. Na wstępie przypomnijmy jeszcze raz, kluczową dla zrozumienia zjawiska Joule a-thomsona, różnicę pomiędzy gazem doskonałym a rzeczywistym. Cząsteczki gazu idealnego traktujemy jako punkty materialne, które zderzają się między sobą w sposób sprężysty. Ponadto, co najważniejsze, pomiędzy cząsteczkami gazu doskonałego nie zachodzą żadne oddziaływania, to znaczy te cząsteczki ani się nie przyciągają ani nie odpychają. Dla większości przemian termodynamicznych, opis za pomocą gazu doskonałego daje wystarczająco dobre przybliżenie. Niemniej jednak są zjawiska, dla których to nie wystarcza. Do takich zjawisk należy właśnie efekt Joule a Thomsona. W gazie rzeczywistym cząsteczek nie można już traktować jak punkty materialne. W zależności od odległości w jakiej się znajdują, dwie cząsteczki gazu mogą się odpychać lub przyciągać. Skąd biorą się takie oddziaływania? Obecność sił odpychających można wyobrazić sobie na podstawie eksperymentu myślowego. Niech cząsteczki gazu będą piłkami tenisowymi. Jeśli worek z takimi piłkami ściśniemy wystarczająco mocno, to zmniejszymy odległości miedzy nimi do tego stopnia, że ich powierzchnie ugną się i piłeczki będą odpychały się. Powstaje siła odpychająca. Te siły są odpowiedzialne za obecność energii potencjalnej w gazie. Otóż jeżeli sprężamy (adiabatycznie) gaz doskonały, to cała energia przekazana w tym procesie do gazu przechodzi w energie kinetyczną cząsteczek (związaną z ruchem), co odczuwamy jako wzrost temperatury. Natomiast jeżeli sprężamy gaz rzeczywisty, to tylko pewna część energii zostanie przekazana na zwiększenie prędkości ruchu cząsteczek. Pozostała energia zostanie zużyta na ugięcie powierzchni piłeczek. Tak więc energia zgromadzona w gazie rzeczywistym składa się z energii kinetycznej i potencjalnej cząsteczek. Przyciąganie się cząsteczek w gazie rzeczywistym jest może mniej oczywiste. Atomy gazu należy rozumieć jako chmury ujemnie naładowanych elektronów otaczających małe dodatnie jądra. Rozkład ładunku elektrycznego w powłoce elektronowej nie jest równomierny. Powoduje to polaryzację atomów, a co za tym idzie ich wzajemne przyciąganie. Rys. 1. Krzywa Lennarda-Jonesa.

19 W zależności od tego w jakiej odległości od siebie są cząsteczki gazu, przeważa albo odpychanie albo przyciąganie. Jeżeli cząsteczki są blisko siebie (co dopowiada dużym ciśnieniom) to przeważa odpychanie. Natomiast jeżeli cząsteczki są daleko od siebie (niskie ciśnienia) to przeważa przyciąganie. Tę zależność opisuje krzywa Lennarda-Jonesa pokazana na rysunku 1. Na osi poziomej podano odległość między cząsteczkami. Na osi pionowej pokazano wartość energii potencjalnej, którą posiadają cząsteczki znajdujące się w odległości r. Oznacza to, że jeśli zbliżymy do siebie cząsteczki, to wtedy zaczynają się gwałtownie odpychać. W większej odległości cząsteczki mają już na tyle miejsca, że się już nie odpychają. Do głosu zaczynają dochodzić przyciągające siły elektryczne. Energia potencjalna staje się ujemna. Gdy cząsteczki odsuniemy od siebie do nieskończoności, to jakiekolwiek oddziaływania miedzy nimi zanikną do zera. Uzbrojeni w tę wiedzę możemy przeanalizować zjawiska zachodzące w gazie przepływającym przez I stopień automatu (rysunek 2). Podstawą do analizy jest wykonanie bilansu energii, ciepła i pracy w obszarze obejmującym zawór. Do tego obszaru dopływa gaz o temperaturze T0 i ciśnieniu p0. Zawór pierwszego stopnia jest z punktu widzenia mechaniki płynów przeszkodą miejscową, w której następuje spadek ciśnienia do wartości p1. Interesuje nas to, co się będzie działo z temperaturą T1. Rys. 2. Schemat przepływu gazu przez zawór w pierwszym stopniu automatu. Linią przerywaną oznaczono obszar bilansowy. Przepływ gazu przez zawór jest na tyle szybki, że nie zachodzi w tym czasie wymiana ciepła z otoczeniem. Ponadto przepływający gaz nie wykonuje żadnej pracy, ani też siły zewnętrzne nie wykonują żadnej pracy nad gazem. Zatem energia dostarczona z dopływającym gazem do omawianego obszaru musi być równa energii wyprowadzanej z wypływającym gazem. Energia doprowadzana z przepływającym gazem nosi nawę: entalpia (patrz Magazyn Nurkowanie 62, 12/2000). Mamy tu do czynienia z procesem, w którym entalpia jest stała. Wobec tego nazywa się go dławieniem izentalpowym. Przeanalizujemy teraz jak przebiega przemiana izentalpowa. Ciśnienie spadło z wartości p0 do wartości p1, co spowodowało wzrost odległości między cząsteczkami gazu. Energia (entalpia) gazu przed i po rozprężeniu musi być taka sama. W gazie doskonałym nie ma energii potencjalnej, czyli cała energia jest zawarta w energii kinetycznej cząsteczek. W tym procesie nie może ona ulec zmianie, czyli efekt Joule a- Thomsona dla gazu doskonałego jest zerowy. Natomiast w gazie rzeczywistym wraz ze zmianą odległości cząsteczek zachodzi zmiana energii potencjalnej. Ponieważ sumaryczna energia musi być stała, więc zmiana energii potencjalnej musi być skompensowana zmianą energii kinetycznej - co odczujemy jako zmianę temperatury. Ten fakt stanowi kwintesencję efektu Joule a Thomsona. Jeżeli gaz przed rozprężeniem znajduje się na prawo od punktu r0, to w wyniku rozprężenia jego energia potencjalna wzrasta, zatem jego energia kinetyczna musi zmaleć, co spowoduje spadek temperatury gazu. Takie zjawisko obserwujemy dla powietrza. Przeciwna sytuacja ma miejsce dla helu. W praktyce nurkowej interesujące jest określenie temperatury, którą osiągnie gaz po przepłynięciu przez pierwszy stopień automatu. Entalpia właściwa jest termodynamiczną zmienną stanu. Efekt Joule athomsona można analizować na wykresie entalpia-ciśnienie, na którym naniesiono izotermy odpowiadające interesującym nas temperaturom. Poniżej zamieszczono takie wykresy dla kilku czynników oddechowych. Wykresy te zostały wygenerowane za pomocą obliczeń termodynamicznych w programie PROMIX v 1.02a. Osoby, które nie chcą wnikać w termodynamiczną istotę procesu, mogą się skoncentrować tylko na mnemotechnicznym wykorzystaniu tych wykresów. Na każdym z nich pokazano za pomocą czarnych

20 strzałek sposób odczytywania temperatury gazu po zdławieniu izentalpowym. Weźmy dla przykładu powietrze. Nurkujemy w wodzie o temperaturze 5 st.c. Wyszukujemy izotermę o tej temperaturze. Ciśnienie początkowe w butli wynosi 200 bar. Na izotermie 5 st.c wyszukujemy punkt, w którym przecina się ona z wartością 200 bar. To miejsce jest zaznaczone czarną kropką. Jest to punkt, w którym zaczyna się przemiana gazu. Ponieważ przemiana jest izentalpowa, to na tym wykresie będzie odbywała wzdłuż linii poziomej. Przemiana kończy się w momencie, gdy osiągniemy ciśnienie końcowe - w tym przypadku 10 bar. Końcowy punkt, zaznaczony strzałką, znajduje się pomiędzy izotermami -30 st.c i -35 st.c. Można przyjąć, że temperatura końcowa będzie wynosiła -34 st.c. Podobna analizę można przeprowadzić, gdy ciśnienie w butli będzie odpowiednio 150 bar i 100 bar. Temperatura powietrza po rozprężeniu będzie wówczas wynosiła odpowiednio -25 st.c oraz -15 st.c. Natomiast jeśli weźmie się pod uwagę trimix 16/20, to okaże się, że izotermy są prawie poziome. W tej mieszaninie prawie wcale nie następuje zmiana temperatury przy przepływie przez pierwszy stopień. Analizując w podobny sposób pozostałe wykresy można wyciągnąć następujące wnioski: Im wyższe jest ciśnienie początkowe powietrza w butli, tym niższa jest jego temperatura po rozprężeniu. Izotermy dla nitroxu są bardziej strome, zatem przy tych samych warunkach otrzymuje się niższe temperatury po rozprężeniu niż dla powietrza. Zwiększanie ilości tlenu w mieszance oddechowej powoduje zwiększenie efektu Joule a Thomsona. Dekompresja na tlenie podczas nurkowania podlodowego może się łatwo zakończyć zamarznięciem automatu. Użycie nitroxu przy nurkowaniu podlodowym powoduje, że automat jest bardziej podatny na zamarzanie Stosując trimix 16/20 nie ma możliwości zamarznięcia automatu, niezależnie od temperatury wody i ciśnienia w butli - izotermy są prawie poziome Dla trimixu 12/40 izotermy są nachylone przeciwnie niż dla powierza, temperatura mieszanki po przepłynięciu przez pierwszy stopień zwiększa się. Poniżej przedstawione są wykresy entalpia-ciśnienie dla kilku różnych gazów używanych w nurkowaniu. Wykres dla tlenu

21 Wykres dla powietrza Wykres dla nitroksu 36

22 Wykres dla trimiksu 16/20 12 TEORIA DEKOMPRESJI Nurkowanie rekreacyjne przeżywa obecnie prawdziwy rozkwit, nurkuje coraz więcej osób, zaczynając od dzieci a na staruszkach kończąc. Nurkujemy coraz głębiej, umożliwił to rozwój nurkowań technicznych, wszystko to spowodowało rozwój teorii dotyczących dekompresji. Procesy przebiegające w organizmie człowieka w trakcie wynurzania jak i zanurzania są na tyle skomplikowane, że ich poprawne matematyczne opisanie natrafia na olbrzymie problemy, nie ma obecnie modelu dekompresyjnego w pełni zgodnego z procesami fizjologicznymi. Nurkowania obecnie prowadzone, to nie tylko nurkowania na mieszance oddechowej jaką jest powietrze, ale również nurkowania nitrox-owe i trimix-owe. Teoria dekompresji musi więc uwzględniać wpływ na nasz organizm nie tylko tlenu i azotu ale również helu. Aby zrozumieć o czym będzie mowa, proszę zapoznać się z zjawiskami zachodzącymi podczas zanurzania i wynurzania. Oraz z modelami dekompresyjnymi stosowanymi w komputerach nurkowych oraz programach dekompresyjnych. Mowa tu o modelu Bulhmanna, RGBM, VPM.

23 Zanurzenie Za każdym razem, kiedy wciągamy powietrze do płuc, azot będący głównym składnikiem powietrza kontaktuje się z krwią przepływającą wokół pęcherzyków płucnych. Azot rozpuszcza się w krwi i wędruje wraz z nią do wszystkich tkanek organizmu. W ten sposób w naszym ciele przez całe życie znajduje się pewna (stała w warunkach powierzchniowych) ilość tego gazu. Mówimy, że nasze tkanki są nasycone azotem. Podczas nurkowania, kiedy oddychamy sprężonym powietrzem w naszej krwi, a za jej pośrednictwem w tkankach rozpuszcza się dodatkowa porcja azotu. Na jego ilość wpływają głębokość i czas nurkowania. Proces ten zachodzi zgodnie z prawem rozpuszczalności gazów w cieczach (prawo Henry ego). Dlatego, w naszych tkankach (zawierających prawie 80% wody) rozpuszcza się tym więcej azotu im głębiej i dłużej nurkujemy. Nie wszystkie tkanki nasycają się w ten sam sposób. Są tkanki szybkie, które nasycają się szybko i są tkanki wolne, nasycające się wolno. Prędkość nasycania zależy od perfuzji czyli kontaktu tkanki z układem krwionośnym (krążenia) Tkanki szybkie to tkanki dobrze ukrwione, tkanki wolne są znacznie ukrwione gorzej, przedstawicielem tkanek wolnych są np. kości, a tkanka szybka to krew. Rozpatrując sposób nasycania sie naszego ciała rozpatrujemy zawsze sytuacje dla każdego gazu osobno, i posługujemy sie tu pojęciem ciśnienia parcjalnego danego gazu. Nasycamy sie tym szybciej im większa jest różnica ciśnień parcjalnych miedzy tkankami naszego ciała a otoczeniem. Czym dłuższy czas tym nasze nasycenie jest coraz większe. Jednak najszybciej nasycamy się na początku, kiedy różnica ciśnień parcjalnych jest największa, z upływem czasu prędkość nasycania spada. I oczywiście gdzieś jest granica, przy której tkanka nasyci sie całkowicie i dalej już nie będzie się nasycała - takie pełne nasycenie nazywamy saturacją. Prędkość nasycania tkanki opisuje półokres nasycenia. To pojęcie bardzo podobne jak w fizyce jądrowej półokres rozpadu promieniotwórczego. Półokres nasycenia tkanki to czas, w którym tkanka nasyci się o połowę czyli do ½ tego co jest się w stanie przy danym ciśnieniu nasycić. Wiem, że ta definicja może nie być jasna, więc mały przykład. Załóżmy że mamy tkankę której półokres nasycenia wynosi 1 godzinę. Czyli tkanka nasyci się w ciągu 1. 1 godziny o ½ czyli do 50%, 2. w 2 godzinie nasyci sie ½ z pozostałych 50% czyli do 50%+25%=75%, 3. w 3 godzinie nasyci się ½ z pozostałych 25% czyli do 50%+25%+12,5%=87,5% 4. w 4 godzinie nasyci się ½ z pozostałych 12,5% czyli do 50%+25%+12,5%+6,25%=93,75% 5. w 5 godzinie nasyci się ½ z pozostałych 6,25% czyli do 50%+25%+12,5%+6,25%+3,125%=96,875% 6. w 6 godzinie nasyci się ½ z pozostałych 3,125% czyli do 50%+25%+12,5%+6,25%+3,125%+1,56=98,44% wykładnicza krzywa nasycania, zakładamy że po 6 półokresach jesteśmy nasyceni 100% wykres pokazuje dokładne wartości nasycenia

24 Matematycznie do 100% nie nasycimy się nigdy, bo zawsze zostanie jakaś ½ część, ale dla naszych rozważań o dekompresji możemy założyć, że po 6 półokresach nasze nasycenie jest całkowite - jesteśmy saturowani, czyli nasyceni w 100%. Dalej dana tkanka nie będzie sie już nasycała, nawet jak pod wadą będziemy kilka dni. Często mówi się, że nasycamy się według krzywej wykładniczej. Nasze tkanki tolerują pewne przesycenie, dzięki czemu w ogóle jest możliwe nurkowanie - o tym jak wielkie może być to przesycenie w dalszej części. Teraz wróćmy do odsycania - dekompresji. Należy zadać sobie pytanie jak przebiega odsycanie tkanek? Upraszczając schemat maksymalnie można powiedzieć, że dokładnie tak samo jak nasycanie tylko w drugą stronę - tzn nasza tkanka 1 godzina po 6 godzinach odsyci sie całkowicie jeżeli jesteśmy w stanie od razu wynurzyć się na powierzchnię. wykładnicza krzywa odsycania, zakładamy że po 6 półokresach jesteśmy całkowicie odsyceni wykres pokazuje dokładne wartości odsycania Często w literaturze fachowej zamiast słowa nasycanie używa sie słowa - saturacja, a zamiast słowa odsycanie - desaturacja lub wysycanie. Nasze ciało jest w zasadzie na tyle skomplikowane, że składa się z różnych tkanek o półokresie nasycenia/odsycenia od minut (według najbardziej znanego modelu Bulhmanna ZH-L16 z 1990 roku). Teoretycznie przy obecnym poziomie komputerów można by policzyć saturacje/desaturacje dla każdej tkanki przy kroku 1 minutowym, jednak nie popełniając większego błędu można te obliczenia uprościć ograniczając sie do 16 tkanek. Np w tabelach RDP PADI było tych tkanek 14 i miały one następujące półokresy odsycenia: 5, 10, 20, 30, 40, 60, 80, 100, 120, 160, 200, 240, 360, 480.

25 Przebieg nasycania 5 tkanek o półokresie 10, 20, 40, 80, 160 w czasie 80 minut. Jak widać tkanka 10 nasyciła się całkowicie 100% (ponad 6 półokresów), najmniej nasyciła się tkanka 160, osiągnęła nasycenie 30% Modele dekompresyjne zakładają, że nasze nurkowanie nie będzie chaotycznym pływaniem góra dół, a przemyślanym działaniem, zakładającym że zaczynamy nurkowanie od największej głębokości aby stopniowo wynurzać się. Prawidłowy profil nurkowania, zaczyna się od największej głębokości i powoli się wypłyca, bez dodatkowych zanurzeń i wynurzeń. profil prawidłowy - płetwonurek na początku nurkowania osiąga maksymalną głębokość i pozostaje na niej lub powoli zmniejsza głębokość, aż do rozpoczęcia wynurzania. Najważniejsze, aby zacząć nurkowanie od głębokości największej. Bardzo ważne jest również aby profil był maksymalnie płaski. Więcej o profilach nurkowania znajdziesz na stronie profile nurkowania Wynurzenie Podczas wynurzania kiedy ciśnienie wokół wypływającego nurka spada, zawarty w płynach tkankowych azot nie może utrzymać się dłużej w postaci rozpuszczonej i zaczyna wydzielać się z tkanek w formie mikropęcherzyków Zjawisko to przypomina sytuację, kiedy z otwartej butelki szampana wydziela się CO2 (tam też ciśnienie cieczy, po wyjęciu korka, spada gwałtownie z poziomu ok. 2 at. do 1at). Przebieg nasycania i odsycania 5 tkanek o półokresie 10, 20, 40, 80, 160. Tkanki nasycają sie przez 80, następnie następuje wynurzenie i odsycanie tkanek. Jak widać najszybciej odsycała się tkanka 10, mimo że była najmocniej nasycona. Najmniej odsyciła sie tkanka 160, nawet po 220 ( ) odsycania jej wynosi 12%. Łatwo policzyć, że tkanka 160 odsyci się całkowicie dopiero po 960 (16 godzinach)

26 Podczas szybkiego wynurzenia rozprężające się pęcherzyki tego gazu mogą blokować naczynia krwionośne w różnych częściach organizmu powodując schorzenie zwane chorobą dekompresyjną. Aby nie dopuścić do gwałtownego wydzielania azotu w tkankach, wynurzenie nurka musi przebiegać z określoną prędkością, zależną od stosowanych tabel dekompresyjnych czy komputerów nurkowych. W warunkach wysokiego nasycenia azotem (po długich lub/i głębokich nurkowaniach) na określonych głębokościach należy przerwać wynurzanie wykonując tzw. przystanek dekompresyjny, podczas którego szkodliwy dla organizmu nadmiar azotu zostanie wydzielony. Wydzielany azot transportowany jest z krwią do płuc a tam przenika do pęcherzyków płucnych i usuwany jest na zewnątrz z wydychanym powietrzem. Proces usuwania azotu z tkanek organizmu zwany jest desaturacją i trwa również po wynurzeniu na powierzchnię, bowiem nie cały azot rozpuszczony w tkankach podczas nurkowania zostaje usunięty z nich w trakcie wynurzania. Tą zalegająca w tkankach ilość azotu musimy brać pod uwagę podczas planowania następnego nurkowania. Dekompresja nie jest stała i niezmienna, zależy od wielu czynników, większość z nich wydłuża wymagany czas dekompresji. Czynniki takie jak zimno czy ciężka praca zwiększają ryzyko choroby dekompresyjnej, ale to nie jedyne czynniki. Jeżeli chcesz wiedzieć więcej zaglądnij na stronę czynniki zwiększające ryzyko choroby dekompresyjnej. Przerywanie wynurzania i pobyt na odpowiednich przystankach nazwano dekompresją. Zadaniem dekompresji jest umożliwienie nurkowi wynurzenie się na powierzchnię, tak szybko jak to jest tylko możliwe, bez spowodowania choroby dekompresyjnej. Dekompresja zależy od głębokości nurkowania i czasu pobytu nurka pod wodą. Należy jednak pamiętać, że nie każde nurkowanie wymaga stosowania przystanków dekompresyjnych (ujmuje to tzw. krzywa dekompresji zerowej ). Pamiętaj! Planuj nurkowania w ten sposób aby bezpieczne wynurzenie nie wymagało stosowania przystanków dekompresyjnych. Po głębszych nurkowaniach bezdekompresyjnych, wykonaj na głębokości 3-5 m przystanek bezpieczeństwa na czas 3minut. NURKUJ BEZDEKOMPRESYJNIE! Modele dekompresyjne Komputery nurkowe korzystają z różnych modeli dekompresyjnych, główne dwa to: Model dekompresyjny Bulhmanna Model dekompresyjny RGBM Model dekompresyjny VPM Metody liczenia dekompresji Kiedy mamy policzyć dekompresję możemy skorzystać z kilku możliwości. Tabele dekompresyjne to najstarsza metoda liczenia dekompresji, ale obecnie nie jedyna. Metody mogą się dublować lub wzajemnie sprawdzać. 1. Tabele dekompresyjne - tabele dekompresyjne w prosty sposób pozwalają obliczyć dekompresję, powstało wiele rodzajów tabel dekompresyjnych w tym również dla nitroksu. Zależnie od producenta sposób użycia może być bardzo różny, wiec zawsze należy zapoznać sie z instrukcją obsługi. 2. Komputer nurkowy - powinien stanowić wyposażenie każdego nurka, używanie tabel dekompresyjnych jest obecnie bardzo rzadkie. Komputery nurkowe pozwalają na znaczne wydłużenie czasu nurkowania dzięki liczeniu dekompresji dla rzeczywistego profilu nurkowania a nie jak to się dzieje w przypadku tabel - prostokątnego. Do nurkowań technicznych większość komputerów nurkowych się nie nadaje, z powodu braku możliwości zmiany gazów w trakcie nurkowania. Należy zakupić komputer wielogazowy. Kupując komputer nurkowy warto sprawdzić czy posiada funkcję gauge (wskaźnika) - wskazywania głębokości i czasu bez liczenia dekompresji. O komputerach nurkowych można poczytać na stronie komputer nurkowy. 3. Komputer wielogazowy - to komputer pozwalający na zmianę mieszanki oddechowej w trakcie nurkowania. Najprostsze modele posiadają możliwość zaprogramowania dwóch mieszanek (tylko powietrze i nitrox), modele najbardziej zaawansowane do kilkudziesięciu mieszanek - powietrze, nitrox, trimix). Często użytkownik może wybrać jaki model dekompresyjny preferuje neohaldanowki, RGBM czy VPM. Polecam stronę komputery wielogazowe.

27 4. programy dekompresyjne - programy na komputer PC, pomagające zaplanować i wyliczyć dekompresję. Dostępne są wersje oprogramowania na palmtopa a nawet, telefon komórkowy. Zobacz na stronę programy dekompresyjne. 5. Minimum deco - metoda liczenia dekompresji w głowie - metoda raczej dla matematycznie uzdolnionych nurków. 6. Ratio deco - inna metoda liczenia dekompresji w głowie - metoda raczej dla matematycznie uzdolnionych nurków. Zaawansowana teoria dekompresji Poniżej znajdują się tematy raczej dla bardzo zaawansowanych nurków lub bardzo dociekliwych. Zaawansowana teoria dekompresji - czyli fizyczne podstawy dekompresji Zrozumieć wartość M i gradient faktor GF FIZYCZNE PODSTAWY DEKOMPRESJI I. Wstęp Nam nurkom trudno jest się z tym pogodzić, ale człowiek jest ssakiem typowo lądowym i jego organizm nie jest przystosowany do nurkowania. Na nurka zanurzającego się pod wodę czyha szereg niebezpieczeństw z których najgroźniejsze tkwią w jego organizmie. Dlatego zrozumienie zjawisk zachodzących w jego organizmie i otoczeniu jest warunkiem bezpiecznego nurkowania. Jednym z zagadnień z pogranicza fizyki i fizjologii, którego znajomość jest każdemu nurkowi niezbędna jest zjawisko dekompresji. Nurek znajdujący się pod wodą poddany jest ciśnieniu otoczenia zwiększonemu o ciśnienie hydrostatyczne znajdującej się ponad nim wody. Zależy więc ono od głębokości nurkowania i wzrasta o 1 at na każde dziesięć metrów głębokości. Podczas typowych nurkowań ciśnienie otoczenia kilkakrotnie przewyższa ciśnienie atmosferyczne. W warunkach zwiększonego ciśnienia następuje zwiększone rozpuszczanie się gazu mieszaniny oddechowej (np. powietrza) we krwi, a za jej pośrednictwem we wszystkich tkankach organizmu. Podczas wynurzania ciśnienie otoczenia, a zarazem mieszaniny oddechowej maleje, dochodzi do sytuacji przesycenia tkanek rozpuszczonym w nich gazem. Największy problem stwarza nam obojętny składnik mieszaniny oddechowej (w powietrzu jest nim azot). Tlen i dwutlenek węgla nie odgrywają w tym procesie większej roli, ze względu na możliwość szybkiego ich transportu przez hemoglobinę (procesy chemiczne), natomiast proces rozpuszczania w tkankach czynnika obojętnego jest procesem czysto fizycznym. Przy nadmiernym przesyceniu tkanki gazem może nastąpić jego wydzielanie w postaci pęcherzyków, które powodują uszkodzenie tkanki w której powstały. Prowadzi to do tzw. choroby dekompresyjnej, dawniej nazywanej kesonową. Jeżeli liczne pęcherzyki gazu przedostaną się do krwiobiegu zamykają światło naczyń włosowatych powodując niedotlenienie organów centralnych lub mięśnia sercowego. Powoduje to tzw. ostrą postać choroby ciśnieniowej. Zanim poznano jej mechanizm, wielu nurków swoją podwodną działalność przypłaciło zdrowiem lub nawet życiem. W celu uniknięcia choroby dekompresyjnej przestrzega się odpowiednio wolnego wynurzania, umożliwiającego wydalenie z organizmu obojętnego czynnika oddechowego przez płuca bez narażania się na wydzielanie w tkankach jego pęcherzyków mających tendencje wzrostowe. Przepis wynurzania musi być odpowiednio prosty, możliwy do kontroli przez człowieka o poważnie ograniczonej przez czynniki zewnętrzne zdolności spostrzegania i rozumowania. W powszechnym użyciu są tzw. tabele dekompresyjne, których skróconą wersję każdy nurek zabiera ze sobą pod wodę. Tabele przewidują tzw. dekompresję stopniowaną. Nurek wynurza się z pod wody z ustaloną prędkością (my przyjmiemy 10m/min) zatrzymując się na kolejnych przystankach dekompresyjnych na określonych głębokościach. Czas pobytu na kolejnych przystankach dekompresyjnych zależy od głębokości i czasu nurkowania, a jego wartości nurek odczytuje z tabeli. Celem niniejszego opracowania jest przedstawienie prostego modelu umożliwiającego ilościowy opis zjawisk fizycznych zachodzących w tkankach podczas nurkowania. Został on zaproponowany przez grupę prof. Bűhlmana z Zűrichu w roku Model jest nadal aktualny, służy do wyliczania tabel dekompresyjnych, które są w powszechnie używane przez nurków sportowych w Europie. Podobne, choć nieco uproszczone procedury numeryczne są zaimplementowane w większości komputerów nurkowych, które pojawiły się na światowym rynku w latach 90-tych.

28 II. Podstawowe prawa fizyczne Przedstawiona poniżej teoria dekompresji bazuje na kilku prawach fizycznych, których znajomość jest niezbędna dla zrozumienia zagadnienia. Ponieważ ich zastosowanie jest dość nietypowe, pozwolę sobie na przypomnienie ich. 1.Prawo ciśnień parcjalnych (Daltona) Aktywność chemiczna, oraz niektóre własności fizyczne np. rozpuszczalność w cieczach poszczególnych składników mieszaniny gazowej zależy od jego ciśnienia parcjalnego Pi, które jest iloczynem procentowego udziału interesującego nas składnika Ci przez ciśnienie całkowite mieszaniny P: Pi=CiP (1) Na przykład ciśnienie parcjalne azotu w powietrzu atmosferycznym na poziomie morza PN=78%*1at = 0.78at. Naturalnie suma ciśnień parcjalnych wszystkich składników mieszaniny jest równa ciśnieniu całkowitemu. 2. Prawo rozpuszczalności gazu w cieczach (Henry ego). Maksymalna ilość składnika mieszaniny gazowej, która może rozpuścić się w cieczy po dojściu do stanu równowagi (nasycająca ciecz) jest proporcjonalna do ciśnienia parcjalnego tego składnika w fazie gazowej znajdującej się nad powierzchnią cieczy. Dzięki temu ilość gazu rozpuszczonego w cieczy określać można podając ciśnienie nasycenia, czyli ciśnienia przy jakim ciecz byłaby z gazem w równowadze. 3. Rozpuszczanie się gazu w dwóch nie mieszających się cieczach. Jeżeli dwie nie mieszające się ciecze (poszczególne tkanki człowieka traktowane są w tym modelu jako ciecze) są w równowadze z fazą gazową, wówczas stężenia gazu rozpuszczone go w nich są proporcjonalne do ciśnienia, ale nie są równe. Współczynniki proporcjonalności, różne dla różnych cieczy (tkanek) noszą nazwę współczynników podziału Kj. Cj=KjP (3) III. Równanie nasycania (odsycania) Połączenie praw 2. i 3. pozwala na ułożenie równania opisującego proces nasycania (odsycania) tkanek podczas nurkowania. Przedyskutujmy procesy zachodzące w tkance posługując się modelem przedstawionym na rysunku poniżej. (2) Załóżmy, że tkanka ma objętość V,a aktualne ciśnienie nasycenia tkanki gazem oznaczmy przez Px. Do tkanki dopływa krew nasycona w płucach do ciśnienia otoczenia Pot pomniejszonego przez ciśnienie parcjalne pary wodnej w pęcherzykach płucnych Pw=0.063at. Jeżeli jako zawartość gazów obojętnych w powietrzu (azot+argon) przyjmijmy C=0.79. Wówczas do tkanki dopływa krew o ciśnieniu nasycenia: Pz=(Pot - Pw)C (4) Niech w jednostce czasu wpływa do niej objętość I krwi. Z tkanki wypływa krew z prędkością również I, ale ze względu na dużą powierzchnię naczyń włosowatych będących z nią w kontakcie, ciśnienie

29 nasycenia krwi wypływającej jest równe Px. Przyjmijmy współczynniki podziału dla krwi i tkanki odpowiednio K1 i K2. Bilansując ilość dopływającego, odpływającego i pozostawianego w tkance gazu w ciągu czasu dt, otrzymujemy: I K1Pzdt = VK2dPx + IK1Pxdt (5) a stąd po podzieleniu obu stron równania przez dt i przekształceniu, otrzymujemy równanie różniczkowe opisujące zależność czasową ciśnienia nasycenia tkanki. (6) Współczynnik ax stanowi wypadkową objętości tkanki, perfuzji - czyli szybkości przepływu krwi przez tkankę, oraz współczynników podziału K1 dla krwi i K2 dla tkanki. Jest charakterystyczny dla danej tkanki, a jego sens fizyczny możemy wydobyć rozwiązując równanie (5) dla schodkowego profilu nurkowania. Zakładamy że ciśnienie nasycenia tkanki w chwili t=0 wynosi P0 i zwiększamy ciśnienie otoczenia tak, by ciśnienie parcjalne gazu we krwi wyniosło Pz. Wówczas (7) Proces nasycania (odsycania) przebiega wykładniczo. T=ln2/ax nosi nazwę okresu półnasycenia i jest czasem po którym ciśnienie nasycenia tkanki osiąga połowę wartości pomiędzy ciśnieniem początkowym a aktualnie działającym. Okres półnasycenia jest oczywiście różny dla różnych tkanek. Różnice mogą wystąpić w ramach tej samej tkanki w miejscach różnie ukrwionych. Przebieg ciśnienia nasycenia podczas nurkowania dla kilku tkanek o różnym okresie półnasycenia jest przedstawiony na Rysunku 2. Dla lepszej ilustracji założono profil nurkowania polegający na gwałtownym zanurzeniu na głębokość 40m i pobyt na stałe j głębokości. Sposób identyfikacji okresu półnasycenia zilustrowano liniami przerywanymi. Rys. 2.Krzywe nasycenia tkanek w funkcji czasu. Krzywe ciągłe określają przebiegi ciśnienia nasycenia kilku wybranych tkanek. Linia kropkowana oznacza profil nurkowania. Na prawej skali ododczytujemy głębokość nurkowania, na lewej odpowiadające jej ciśnienie. Jako jednostkę ciśnienia przyjęto metr słupa wody. Rys. 3.Krzywe nasycania i odsycania tkanek podczas trapezoidalnego profilu nurkowania. Przyjęto prędkość zanurzania 30m/min, wynurzania 10m/min. Przyjęto oznaczenia zgodne z Rys. 2.

30 Na wykresie przedstawiono ciśnienia całkowite mieszaniny oddechowej, łącznie z tlenem i azotem. Jako jednostkę ciśnienia przyjęto metr słupa wody i odwrócono skalę. Ciśnienie wzrasta w dół wykresu. Umożliwia to porównanie aktualnych ciśnień nasycenia z ciśnieniem otoczenia panującym na głębokości na jakiej znajduje się nurek. Zauważmy, że na początku i nurkowania kiedy nurek znajdował się na powierzchni ciśnienie otoczenia było równe 10 m słupa wody. jest to ciśnienie atmosferyczne. Na Rysunku 3 przedstawione zostały przebiegi nasycania tkanek podczas zanurzania i pobytu na maksymalnej głębokości i odsycania podczas wynurzania. Przyjęto trapezoidalny profil nurkowania. Zanurzenie i wynurzenie odbywa się ze skończoną prędkością. Założono prędkość wynurzania 10m na minutę. Prędkość zanurzania przyjęto większą. Zauważmy, że tkanki szybkie, czyli tkanki o małym okresie półnasycenia nasycają się szybciej i osiągają większe maksymalne ciśnienia nasycenia, ale odsycają się również szybciej i przy wynurzaniu ich ciśnienie nasycenia staje się mniejsze od ciśnień nasycenia tkanek wolniejszych. Tkanki szybkie śledzą profil nurkowania. Przy odpowiednio małej prędkości wynurzania ok. 10 m/min tkanki szybkie nie sprawiają żadnych kłopotów, zawarty w nich gaz usuwany jest za pośrednictwem krwioobiegu przez płuca. Warunkiem bezpiecznego wynurzenia jest usunięcie tą drogą gazu z wszystkich tkanek organizmu. Przeanalizujmy problem alternatywnej, niekorzystnej dla organizmu możliwości wydzielania gazu z tkanek, mianowicie mechanizm powstawania i wzrostu pęcherzyków gazowych. IV. Warunki wzrostu pęcherzyków gazowych Wyobraźmy sobie pęcherzyk gazu w cieczy, w postaci kuli o promieniu r. Wewnątrz pęcherzyka panuje ciśnienie równe ciśnieniu nasycenia cieczy, z którą gaz zawarty w pęcherzyku musi być w równowadze. Z zewnątrz na pęcherzyk działa ciśnienie otoczenia powiększone o ciśnienie związane z napięciem powierzchniowym na granicy gaz - ciecz. To ostatnie zależy od promienia pęcherzyka i współczynnika napięcia powierzchniowego s. Dane jest wyrażeniem: (8) W połączeniu z ciśnieniem otoczenia daje ono ciśnienie zewnętrzne działające na pęcherzyk gazu: Pz=Pot+ Ps (9) Jeżeli ciśnienie zewnętrzne Pz jest większe od ciśnienia nasycenia tkanki Px, pęcherzyk gazu będzie zmniejszał swoją objętość i jeżeli powstał to zniknie. W przeciwnym przypadku jego objętość rośnie. Warunki równowagi zilustrowane są na Rysunku 4. Rys. 4. Px<Pot + Ps pęcherzyk maleje. Px>Pot + Ps pęcherzyk rośnie. Dzięki napięciu powierzchniowemu ciecz może być przesycona, czyli ciśnienie nasycenia może przekraczać ciśnienie zewnętrzne, a mimo to pęcherzyki gazu nie powstają. Różnicę ciśnienia nasycenia i ciśnienia otoczenia nazywamy ciśnieniem przesycenia: D Px=Px-Pot (10)

31 W idealnie czystej i jednorodnej cieczy pęcherzyki gazowe nie powinny powstać, ponieważ Ps dąży do Ydla r bliskiego 0 i D Px nie przekracza Ps dla nieskończenie małego promienia pęcherzyka. Jednakże w tkankach istnieją tzw. zarodzie, powodujące samoistne pojawianie się pęcherzyków gazu o pewnym promieniu r0. Istnieje więc pewne przesycenie krytyczne: D Px=Px-Pot=2s /r0, (11) po przekroczeniu którego w tkance następuje produkcja pęcherzyków mających tendencje wzrostowe. To przesycenie krytyczne jest różne dla różnych tkanek ze względu na różne napięcie powierzchniowe oraz różny charakter zarodzi. V. Prosty model zarodzi Zarodzie będące przyczyną pojawiania się w cieczy przesyconej pęcherzyków gazu mogą mieć różnorodny charakter. Aby problem zarodzi uczynić mniej tajemniczym, przeanalizujmy model tzw. kieszeni gazowej, który określa jeden z możliwych mechanizmów ich powstawania. Jeżeli na brzegu naczynia krwionośnego znajduje się zagłębienie wypełnione gazem, wówczas w warunkach równowagi ciśnienia nasycenia krwi z ciśnieniem otoczenia, granica ciecz-powietrze tworzy płaską powierzchnie zamykająca zagłębienie. Przy wzroście ciśnienia otoczenia powierzchnia ta uwypukla się w kierunku wgłębienia. Jednocześnie na skutek działania napięcia powierzchniowego zawartość gazu w kieszeni rośnie dążąc do zmniejszenia powierzchni kontaktu gaz-ciecz. Podczas zmniejszania ciśnienia otoczenia gaz rozpręża się i w warunkach przesycenia roztworu kieszeń może być źródłem znacznej ilości kolejno odrywających się pęcherzyków gazu, o pewnym minimalnym promieniu zależącym od promienia szyjki kieszeni. VI. Matematyczny model organizmu (Bűhlmana) Złożoność procesów zachodzących w organizmie nurka podczas zanurzania i wynurzania nie pozwala na pełny ich teoretyczny opis. Przeprowadzona powyżej dyskusja nie jest pełną teorią, może być traktowana jedynie jako ich przybliżoną ilustrację. Jej celem było wprowadzenie i wytłumaczenie podstawowych pojęć i terminów, które użyte zostały w zaproponowanym przez Bűhlmana modelu matematycznym. Zanim przejdziemy do konkretyzacji modelu wprowadzę jeszcze jedno pojęcie, które będzie w nim wykorzystane. Przez Ptol oznaczmy tolerowalne przez rozpatrywaną tkankę ciśnienie otoczenia, czyli minimalne ciśnienie zewnętrzne przy jakim nie powstają w niej jeszcze pęcherzyki powietrza. Określa ono do jakiej minimalnej Tabela I Użyte w modelu parametry charakteryzujące tkanki. j Tj min aj at bj

32 głębokości może wynurzyć się nurek przy aktualnym stanie nasycenia jego tkanki. Gdybyśmy znali przesycenia krytyczne, ciśnienie to dane by było wyrażeniem: (12) W modelu matematycznym Buhlman ograniczył liczbę występujących w orgsub>j zestawione są w pierwszej i drugiej kolumnie Tabeli I. W trzeciej i czwartej kolumnie znajdują się odpowiadające tkankom współczynniki aj, i bj przy pomocy których sparametryzowane zostało tolerowalne przez daną tkankę ciśnienie otoczenia Pjtol, którego sens zawarty jest w równaniu (7), ale liczone jest przy pomocy wyrażenia: (13) Parametry Tj, aj, i bj są parametrami dopasowania modelu i wyznaczone zostały na podstawie materiału doświadczalnego zgromadzonego przez autora modelu (Bűhlman). Z punktu widzenia fizyki model ten ma zbyt wiele parametrów dopasowania. Jednakże ponieważ opisywany układ jakim jest organizm ludzki nie jest możliwe jego uproszczenie i musi być zaakceptowany VII. Metoda liczenia tabel dekompresyjnych i sposób posługiwania się nimi

33 Rysunek 6 przedstawia przykładowy przebieg trwającego 25 min nurkowania do głębokości 40 m z poprawnie zaplanowanym wynurzeniem. Rysunek 7 jest powiększonym fragmentem zawierającym tzw. przystanki dekompresyjne. Przy obliczaniu tabel dekompresyjnych zakładamy trapezoidalny profil nurkowania, niezależnie od jego faktycznego przebiegu. Zakładamy, że nurek zanurza się od razu na maksymalną osiągnięta podczas całego nurkowania głębokość i przebywa tam do momentu rozpoczęcia wynurzenia. Następnie wynurza się z prędkością 10m na min. Profil nurkowania przedstawia krzywa kropkowana. Krzywe przerywane określają znane nam z poprzednich rysunków ciśnienia nasycenia pięciu najszybszych tkanek. Leżące powyżej krzywe ciągłe przedstawiają odpowiadające im ciśnienia tolerowalne. Wynurzenie powinno być tak zaplanowane, aby ciśnienie otoczenia na głębokości na której znajduje się nurek nie było mniejsze od ciśnień tolerowanych przez wszystkie tkanki. W przypadku gdy ciśnienie otoczenia osiągnie wartość najniższego ciśnienia tolerowalnego, nurek musi się zatrzymać na tzw. przystanku dekompresyjnym i odczekać, aż ciśnienia tolerowalne obniżą się i pozwolą mu wynurzyć się do głębokości odpowiadającej następnemu przystankowi dekompresyjnemu. Głębokości przystanków dekompresyjnych standardowo są wielokrotnościami 3 m, czasy postoju na przystankach są przyjęto jako wielokrotności 1 min. Tkanka, której ciśnienie tolerowane spowodowało zatrzymanie nurka na przystanku dekompresyjnym nosi nazwę tkanki kontrolnej. W różnych fazach nurkowania tkanki kontrolne się zmieniają. Spójrzmy na Rysunek 6. Pierwszy przystanek dekompresyjny wystąpił na głębokości 9m. Do zatrzymania nurka na nim zmusiła go możliwość przekroczenia ciśnienia tolerowanego przez tkankę o okresie półnasycenia 12.5 min, dla tego przystanku kontrolną była tkanka?18.5-minutowa?. Również na przystanku na głębokości 6m, kontrolną była ta sama tkanka. Na przystanku na głębokości 3m kontrolnymi były tkanki 12.5-min i min, a przy wynurzaniu na powierzchnię tkanki 27-min i 38.3-min. Początkowe fazy wynurzania kontrolowane są przez?szybkie? tkanki, końcowe przez tkanki powolne.

34 VIII. Uwagi końcowe 1.Jeżeli zsumujemy ze sobą czasy postoju na poszczególnych przystankach dekompresyjnych i dodamy do nich czas wypływania na powierzchnię z prędkością ograniczoną do 10 m/min, okaże się, że łączny czas bezpiecznego wynurzania wyniósł 18 min. Był więc porównywalny z czasem samego nurkowania, który założyliśmy 25 min. Przy nurkowaniach głębszych, lub dłużej trwających wymuszony koniecznością dekompresji czas wynurzania wielokrotnie przekracza czas nurkowania. Ma to szczególne znaczenie przy planowaniu nurkowania, gdyż nurek może zabrać pod wodę tylko skończony zapas powietrza i nie może mu go zabraknąć na poprawne i zgodne z zasadami dekompresji wynurzenie. 2. Po zakończeniu nurkowania nie wszystkie tkanki są odsycone. Zanurzając się ponownie musimy mieć świadomość, że powolne tkanki startują z początkowym ciśnieniem nasycenia większym niż przy pierwszym nurkowaniu. W tym wypadku musimy więc posługiwać się tabelami wielokrotnego nurkowania. Tabelami opracowanymi dla pierwszego nurkowania możemy się posłużyć jedynie w przypadku około 24 godzinnej przerwy pomiędzy nurkowaniami. 3. Ze względu na przesycenie powolnych tkanek nie możemy bezpośrednio po nurkowaniu podróżować samolotem, gdyż na typowych wysokościach lotu ciśnienie otoczenia jest znacznie niższe niż na poziomie morza. Tabele dekompresyjne naogół określają czas po którym można takie podróże odbywać. 4. Również nurkowanie w jeziorach górskich wymaga stosowania innych tabel dekompresyjnych, ze względu na niższe ciśnienie atmosferyczne na powierzchni. 5. Tabele dekompresyjne przewidują zazwyczaj znacznie dłuższy czas dekompresji niż faktycznie jest niezbędny, ze względu na założony trapezoidalny profil nurkowania zakładający pobyt nurka na maksymalnej głębokości przez cały czas nurkowania. Podczas typowych nurkowań na maksymalnej głębokości nurek przebywa znacznie krócej. Zanurza się ze skończoną prędkością, zatrzymuje się podczas zanurzania lub wraca na mniejszą głębokość. Uwzględnienie prawdziwych profili nurkowania nie jest możliwe w postaci tabel. W tym celu nurek zabiera ze sobą pod wodę komputer nurkowy mierzący czas i głębokość zanurzenia i na bieżąco zliczający ciśnienia nasycenia poszczególnych tkanek. Użycie komputera nurkowego optymalizuje czas dekompresji i jest znacznie mniej uciążliwe od posługiwania się tabelami dekompresyjnymi. Nurkowanie opory ruchu w wodzie Duża gęstość wody, około 780 razy większa od powietrza, sprawia, że podczas nurkowania odczuwamy znaczne opory ruchu. Z efektem tym większość z nas miała już do czynienia w dzieciństwie, wszelkie próby biegania będąc zanurzonym np. do pasa kończyły się niepowodzeniem, opór był na tyle duży, że o biegu nie było mowy. Pod woda jest dokładnie tak samo, opór stawiany przez wodę wymusza określony sposób poruszania. Ważna jest prędkość poruszania oraz powierzchnia czołowa nurka. Opory są tym większe im mniej opływową sylwetkę przyjmie nurek oraz im szybciej się porusza (opory wzrastają proporcjonalnie do kwadratu szybkości). Aby uniknąć nadmiernego zmęczenia i zadyszki pod wodą powinniśmy poruszać się w miarę możliwości powoli i nie wykonywać gwałtownych ruchów. Nasz sprzęt powinien być prawidłowo zmontowany tzn. nie powinien nadmiernie odstawać. Ważnym aspektem jest powierzchnia czołowa nurka. Zależy ona od pozycji ciała w wodzie. Utrzymanie poziomej sylwetki znacznie tą powierzchnię ogranicza. Pływanie w pozycji konika morskiego zwiększa powierzchnię i co za tym idzie opory ruchu. W utrzymaniu poziomej sylwetki bardzo pomaga właściwe rozłożenie balastu - trymowanie, aspekt bardzo mocno podkreślany przez nurków technicznych zobacz (nurkowanie trym). Siłę oporu hydrodynamicznego można przedstawić wzorem: R = C * S * ((q/2) * v2) [N] gdzie: R siła oporu hydrodynamicznego [N] C współczynnik kształtu S powierzchnia przekroju poprzecznego [m2]

35 q gęstość cieczy, w której odbywa się ruch [kg/m3] v prędkość ciała względem cieczy [m/s] Największy wpływ na opory ruchu w wodzie ma prędkość poruszania się, nurkowie należy prowadzić spokojnie i z rozwagą. Najlepszą metodą ograniczenia pracy wkładanej do poruszania się jest ograniczenia prędkości. Wzrost prędkości, zwiększa opory ruchu do kwadratu, na szczęście nurkowie posiadają pod wodą bardzo małą prędkość w stosunku np. do łodzi motorowej i ich opór jest znacznie mniejszy. Prędkość nurka pod wodą wynosi od 5-20m/min, co daje 0,08-0,35m/s. Problem zaczyna się, kiedy w miarę krótkim czasie pragniemy pokonać większy odcinek, prędkości większe od 30m/min wymagają już dużego nakładu pracy płetw. Stosowanie skuterów podwodnych w takich wypadkach wydaje się zasadne, tak postępują nurkowie jaskiniowi na Florydzie. Jaskinie, które penetrują są długie i aby spenetrować najdalsze odcinki, część rozpoznaną pokonać należy w jak najkrótszym czasie. Użycie skutera wymusza przyjęcie pozycji poziomej, z punktu widzenia hydrodynamiki, maksymalnie opływowej. To opory ruchu wody powodują przyjęcie takiej pozycji niejako automatycznie. Poruszamy się jak torpeda, równolegle do kierunku ruchu. Nurkowanie - rozchodzenie się dźwięku w wodzie Woda posiada prawie 800 razy większą gęstość niż otaczające nas powietrze. W środowisku o takiej gęstości dźwięk rozchodzi się z prędkością prawie 4,5 krotnie większą niż na powierzchni (w CMAS 5 razy w PADI 4 razy szybciej:)) i może pokonywać stosunkowo duże odległości, będąc nadal wyraźnie słyszalnym przez nurków. Nasza umiejętność określania kierunku, czyli miejsca z którego dochodzi dźwięk jest podczas nurkowania mocno upośledzona: nie jesteśmy w stanie określić skąd dochodzi dźwięk. Lokalizacja źródła dźwięku następuje w mózgu po przeanalizowaniu różnicy w fazie sygnału dochodzącego do prawego i lewego ucha. Na skutek zwiększenia prędkości rozchodzenia się dźwięku, zmniejsza się przesunięcie fazowe i prawidłowa interpretacja jest niemożliwa. jesteśmy w stanie określić czy obiekt przybliża się czy oddala, na podstawie natężenia dźwięku. Jeżeli źródło dźwięku zbliża się (np. motorówka) natężenie dźwięku wzrasta, jak źródło dźwięku oddala się natężenie dźwięku słabnie. Z tego właśnie powody w nurkowaniu wykorzystuje się boje dekompresyjne sygnałowe, aby oznaczyć miejsce wynurzenia się nurka czy grupy nurkowej. Taka praktyka jest szczególnie ważna w miejscach gdzie ilość nawodnego sprzętu motorowego jest duża, bardzo niebezpieczne są skutery wodne i szybkie motorówki. Pod wodą może być wykorzystywana prosta sygnalizacja akustyczna, jest cała grupa urządzeń, które do tego służą - nóż z młotkiem, koralik na gumce, marakesz, pneumatyczny młotek zobacz na stronę sygnalizatory akustyczne w dziale sprzęt nurkowy pomocniczy. Pamiętajmy, dźwięk jest doskonale słyszalny, jednak niemożliwa jest lokalizacja jego źródła, do póki jej nie zobaczymy, z tego powodu znalezienie osoby wżywającej pomocy a ukrytej wśród skał może być trudne. Wpływ wody na światło słoneczne Światło pod wodą ulega wpływowi wielu czynników, które oddziaływają na zdolność nurka do widzenia i interpretacji podwodnego obrazu. Nawet chemicznie czysta woda, pozbawiona mechanicznych zanieczyszczeń osłabia strumień światła na skutek pochłaniania. Pochłanianie światła zachodzi nierównomiernie dla różnych długości (barw) fali światła. Najintensywniej tłumione jest promieniowanie ultrafioletowe, później czerwone, fioletowe i żółte. Straty światła dla części niebieskiej i zielonej są najmniejsze.

36 Wszystkie odcienie koloru czerwonego znikają do ok. 5m, żółtego do 15 m (z tego powodu butle nurkowe są malowane na żółto i nawet na większej głębokości są dobrze widoczne), a poniżej głębokości 30m wszystko posiada zielono-niebieski kolor, jako ostatni zanika kolor niebieski. Dopiero włączenie latarki (dlatego nawet na nurkowania prowadzone w ciągu dnia dobrze zabrać latarkę, najlepiej o dużej mocą, proponuję halogen 50W lub więcej) lub zdjęcie wykonane przy użyciu lampy błyskowej, są w stanie wydobyć naturalne bogactwo kolorów. Kolorystyka jest bardzo istotna szczególnie w fotografii podwodnej. zdjęcie wykonane płytko, głębokość 2-3m (Morze Czerwone) wszystkie kolory są dobrze widoczne, koralowce jak i rybki posiadają kolor naturalny. Głębiej niestety nie jest już tak kolorowo, czerwony kolor zanika bardzo szybko. tak wyglądało by zdjęcie wykonane na głębokości ok. 20m bez dodatkowego oświetlenia. Wyraźnie wszystko przyjmuje zielono-niebieski odcień. zdjęcie wykonane na głębokości ok. 20m z lampą błyskową, dzięki dodatkowemu oświetleniu kolory stały się naturalne.

37 W wodzie zawierającej zawieszone cząsteczki pochodzenia organicznego (np. glony) lub nieorganicznego straty światła mogą sięgać 99%. W Polskich wodach śródlądowych powierzchniowa warstwa jezior zawiera tak dużą ilość drobnych glonów, że: nawet w bardzo czystych jeziorach na głębokości m jest zupełnie ciemno, w jeziorach o średniej czystości ciemności zapadają już na 20-25m, a w zbiornikach powstałych w zalanych żwirowniach nawet od 5m. CZY WODA PRZYBLIŻA? PRAWO SNELLIUSA Jak widzimy pod wodą Obraz, tworzony pod wodą przez gołe oko jest nieostry. Wynika to z innego niż na powierzchni kąta załamania promieni światła wpadających do gałki ocznej, które nie ogniskują się na siatkówce ale poza jej płaszczyzną. Założenie maski lub okularków pływackich umożliwia ostre widzenie (światło wpada do oka z środowiska powietrznego). To jednak nie wszystko, promienie światła przechodzące przez szybkę maski uginają się tworząc obraz przedmiotów: powiększony o 1/3 (z tego powodu ryby i wszystkie przedmioty wydają się większe, niż są w rzeczywistości) i przybliżony o ¼ (dlatego jeżeli próbujemy po coś sięgnąć, okazuje się że ręce mamy zbyt krótkie. Uwzględnienie tego pozornego przybliżenia jest szczególnie ważne w fotografii podwodnej) Zdjęcie obejmuje dwa środowiska wodne i nawodne. Nurek na pierwszym planie w części podwodnej został powiększony i przybliżony, jego korpus wydaje się nieproporcjonalnie duży w stosunku do głowy. Taki efekt występuje zawsze, kiedy nurkujemy. Obiekty które widzimy są powiększone i przybliżone. Patrząc na prostą rurę wchodzącą pod wodę widzimy jak następuje jej załamanie na granicy powietrze-woda. Zapewniam, ze rura jest prosta, kto nie wierzy może podobny eksperyment zrobić z ołówkiem w szklance z wodą.

38 Prawa związane z załamaniem światła Prawo Snelliusa : Stosunek sinusa kąta padania, do sinusa kąta załamania jest równy stosunkowi bezwzględnego współczynnika załamania ośrodka do którego przechodzi fala, do bezwzględnego współczynnika załamania ośrodka, z którego fala pada na powierzchnię rozgraniczającą oba ośrodki. Sina/sing =v A /v B =n B /n A A- kąt padania B - kąt załamania va - prędkość światła w ośrodku A vb - prędkość światła w ośrodku B na - bezwzględny współczynnik załamania pierwszego ośrodka A nb - bezwzględny współczynnik załamania drugiego ośrodka B Ilość światła pod wodą Przejście od załamania do odbicia nie jest raptowne, przy małych kątach padania mała część światła jest odbijana, prawie całe jest załamywane, przy coraz większych kątach coraz mniej światła jest załamywane, a więcej odbijane. Z tego wynika, że najwięcej światła jest pod wodą, gdy słońce jest najwyżej. W związku z tym gdy zależy nam na dobrym oświetleniu (fotografia podwodna), należy nurkować jak najbliżej godziny 12:00. Lepsze oświetlenie jest również w miesiącach letnich niż w miesiącach zimowych, oraz na mniejszych szerokościach geograficznych, pod względem oświetlenia idealny jest równik. Całkowite wewnętrzne odbicie. Z całkowitym wewnętrznym odbiciem mamy do czynienia, kiedy kąt odbicia = 90 (90 - kąt graniczny). Warunek dodatkowy jest taki, aby ośrodek, w którym rozchodzi się światło był gęstszy od ośrodka, na granicy, którego nastąpi odbicie, czyli np. kiedy światło przechodzi z wody do powietrza. Jeśli chcemy, żeby promień załamany poruszał się równolegle do powierzchni wody, to kąt załamania musi wynosić 90 stopni, bo sinus (90) = 1. Wartość kąta padania obliczymy z równania Snelliusa. sin (a)/sin (g )=n G /n A

39 dla promienia przechodzącego z wody do powietrza otrzymamy, podstawiając pod n A współczynnik załamania wody, a pod n G współczynnik załamania powietrza otrzymujemy: sin (a)/sin (g )=n powietrza /n wody sin(a)/1= n powietrza /n wody sin(a)= 1 / 1.33 = 0.75 Sinus kąta jest równy 0.75, dla kąta 48,6 stopnia. Jak pokazano na rysunku poniżej, przy takim kącie padania, promień załamany porusza się równolegle do powierzchni wody. Promień załamania jest największy z możliwych. Jeśli kąt padania będzie większy niż 48,6 stopnia, promień nie będzie załamywany, ale całkowicie odbijany. Jest to zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia. Najmniejszy kąt padania, przy którym ono się pojawia nazwano kątem granicznym. Obszar o kącie mniejszym niż kat graniczny nazywany jest stożkiem widzialności, (bo wycina w wodzie bryłę w kształcie stożka), w tym obszarze możemy widzieć, co znajduje się nad wodą. Poza tym obszarem patrząc w górę zobaczymy: odbicie lustrzane dna, kiedy woda jest płytka, lub czarną plamę, kiedy dno jest daleko

40 Zdjęcie wykonane pod wodą. Obiektyw został ustawiony w stronę powierzchni. Widać białe wapienne skały wystające ponad powierzchnię wody. Dolna część zdjęcia jest zaczerniona na skutek całkowitego wewnętrznego odbicia. Kąt był większy jak 48,6 stopnia. Zdjęcie wykonane na Zakrzówku. Taki widok można zobaczyć podnosząc głowę do góry. Powierzchnia wody musi być jednak idealnie gładka. Zdjęcie robione było z głębokości 2-3m. Zniekształcenia wynikają z drobnego falowania powierzchni wody. Zdjęcie wykonane na Zakrzówku. Zdjęcie wykonane na małej głębokości, powierzchnia wody zadziałała jak lustro, zamiast powierzchni wody widać odbicie dna. Trudno dostrzec gdzie przechodzi linia podziału. Zdjęcie wykonane na Zakrzówku. Względny współczynnik załamania światła Mając bezwzględne współczynniki załamania ośrodka z którego pada światło i ośrodka do którego załamuje się światło, można obliczyć względny współczynnik załamania n AB =n A /n B Oznaczenia na - bezwzględny współczynnik załamania ośrodka A (z którego wychodzi światło) nb - bezwzględny współczynnik załamania ośrodka B (do którego przechodzi światło) nab współczynnik załamania (względny) ośrodka 2 względem ośrodka 1 Względny współczynnik załamania decyduje o tym jak bardzo światło ma tendencję do skręcania swego kierunku podczas przechodzenia do innego ośrodka. Inaczej mówiąc - przy dużym względnym współczynniku załamania światło będzie się silniej załamywać. W przypadku, gdy nie ma dokładnego stwierdzenia o jaki współczynnik chodzi, najczęściej samo wyrażenie współczynnik załamania należy rozumieć jako bezwzględny współczynnik załamania. Przykładowe (bezwzględne) współczynniki załamania powietrze: 1,00 / lód: 1,31 / woda: 1,33 / szkło: 1,50 Gęstość optyczna Z dwóch ośrodków ten nazywamy gęstszym optycznie, który ma większy współczynnik załamania czyli mniejszą prędkość rozchodzenia się światła. Woda o współczynniku załamania światła równym 1,33 ma większą gęstość optyczną niż powietrze o bezwzględnym współczynniku załamania wynoszącym. 1,00.